Mécanismes de désagrégation du sol et tests de stabilité structurale

Le Bissonnais (1996a) proposait une revue des mécanismes associés à la désagrégation et des méthodes permettant d'évaluer la stabilité structurale (Tableau 1). Quatre processus peuvent être identifiés :

i/ L'éclatement, correspondant à la désagrégation par compression de l'air piégé lors de l'humectation. L'intensité de l'éclatement dépend du volume d'air piégé, donc de la teneur en eau initiale des agrégats et de leur porosité (Le Bissonnais, 1990).

ii/ La désagrégation mécanique sous l'impact des gouttes de pluie. Elle intervient principalement lorsque le sol est saturé en eau. L'énergie cinétique des gouttes d'eau n'est plus absorbée mais transformée en force de cisaillement. La désagrégation mécanique peut aussi être provoquée par le passage d'outil de travail du sol.

iii/ La microfissuration par gonflement différentiel. Ce phénomène intervient suite à l'humectation et la dessiccation des argiles, entraînant des fissurations dans les agrégats.

L'importance de ce mécanisme dépend en grande partie de la teneur en argile des sols.

iv/ La dispersion physico-chimique. Elle correspond à la réduction des forces d'attraction entre particules colloïdales lors de l'humectation (Emerson, 1967). Elle dépend de la taille et la valence des cations (particulièrement du sodium) pouvant lier les charges négatives dans le sol. C'est le mécanisme de désagrégation le plus efficace, car il concerne les particules élémentaires et décuple les autres mécanismes (Bresson et Boiffin, 1990).

Ces mécanismes coexistent dans les conditions du sol et leur intensité dépend des conditions du milieu. Les particules résultant de la désagrégation sont différentes en fonction du mécanisme considéré (Tableau 1).

Mécanisme Eclatement Désagrégation mécanique

Désagrégation par gonflement différentiel

Dispersion physico-chimique Nature des

forces en jeu

Pression interne de l'air piégé lors de

l'humectation

Impact des gouttes de pluie

Pression interne par gonflement différentiel

de l'argile

Réduction des forces d'attraction entre les particules Intensité de la

désagrégation

Totale Cumulative Partielle Totale

Propriétés du sol en jeu

Porosité, mouillabilité, cohésion interne

Cohésion humide (argile, matière organique, oxydes)

Gonflement potentiel, cohésion, conditions

d'humectation

Statut ionique, minéralogie des

argiles Particules

résultantes

Petits micro-agrégats (< 500 µm)

Particules élémentaires et micro-agrégats

Macro- et micro- agrégats

Particules élémentaires Tableau 1 : Principales caractéristiques des différents mécanismes de désagrégation (Le Bissonnais, 1996a)

Plusieurs revues font l'inventaire des méthodes existant pour mesurer la stabilité structurale (par exemple Beare et Bruce, 1993 ; Le Bissonnais, 1996a ; Diaz-Zorita et al., 2002). Le tableau 2 présente les caractéristiques de quelques tests de stabilité structurale⁴. Dans la plupart des cas, il s'agit de méthodes appliquées sur des échantillons prélevés au champ et traités en conditions contrôlées au laboratoire.

Les caractéristiques des échantillons initiaux, les niveaux d'énergie et les mécanismes à l'œuvre sont différemment reproduits d'un test à l'autre, rendant difficile les comparaisons entre des résultats obtenus par différentes méthodes. Une première approche consiste à observer le comportement d’un sol sous une pluie d’intensité contrôlée (Low, 1967 ; Young, 1984 ; Loch, 1989). Cette démarche présente l’avantage de reproduire des conditions proche de la réalité, mais permet difficilement d’isoler tel ou tel mécanisme de désagrégation.

Une autre approche consiste à appliquer des contraintes précises sur les agrégats. Le tamisage à l’eau d’agrégats secs est couramment utilisé et correspond principalement au mécanisme d’éclatement (Yoder, 1936 ; Hénin et al., 1958 ; Kemper et Rosenau, 1986).

Hénin et al., (1958) proposaient de substituer à l’eau de l’éthanol ou du benzène afin de limiter l’éclatement et de pouvoir tester la désagrégation mécanique. Les résultats de ces tests

4 Il existe des mesures de stabilité structurale à sec, correspondant à des phénomènes d'érosion éolienne (Chepil, 1952 ; Zobeck, 1991 ; Buschiazzo et al., 1994). Ces tests ne seront pas discutés ici.

sont ensuite mis en relation avec des observations réalisées en conditions réelles (De Noni et al., 2002 ; Ramos et al., 2003). De Noni et al., (2002) comparaient les résultats de différents tests de stabilité structurale avec les niveaux d’érosion observés sur des parcelles expérimentales. Les tests de Le Bissonnais (1996a), Yoder (1936), Kemper et Rosenau (1986), Hénin et al. (1958) étaient bien corrélés à l'érosion (r² égal à 0.90 ; 0.76 ; 0.72 et 0.66, respectivement).

D'autres études font le lien entre pluies simulées et tests de stabilité et proposent des modèles pour passer des tests à des observations au champ. Legout et al. (2004) proposaient un modèle faisant succéder dans le temps l'importance relative des trois tests proposés par Le Bissonnais (1996a) au cours d'une pluie simulée (figure 3). Les trois traitements appliqués aux échantillons (humectations rapide et lente représentant respectivement le mécanisme d'éclatement et de microfissuration, et la désagrégation mécanique) semblent jouer des rôles importants à des moments différents de la pluie et des conditions hydriques dans le sol. De plus, cette méthode a été mise au point de telle sorte que des méthodes précédentes lui soient en partie comparables (Hénin et al., 1958 ; Yoder, 1936 ; Kemper et Rosenau, 1986). Cette méthode sera utilisée par la suite dans cette étude.

Figure 3 : Schéma théorique de l'organisation et de l'évolution des mécanismes de désagrégation au cours d'un événement pluvieux (redessiné de Legout et al., 2004)

Il faut cependant préciser que, quelle que soit la méthode utilisée, l'estimation de la stabilité structurale reste un test et un indicateur, plus qu'une mesure stricto sensu⁵. La stabilité structurale n'est pas sanctionnée par une grandeur physique précise, mais indirectement par la masse résultant d'une contrainte. Cette contrainte n'est pas non plus

Éclatement Micro fissuration Désagrégation mécanique

Pluie cumulée Intensité du mécanisme

Désagrégation et splash Début du ruissellement

définie par une énergie précise. L'objectif est ici de reproduire des phénomènes existants et composés par de multiples facteurs.

Echantillon initial

Traitement Expression du résultat Référence

Sol entier Immersion dans l'eau et agitation

Masse de particules de 50 µm en solution prélevées par gravité⁶

Martin et Waksman, 1940

3-5 mm Tamisage à l'eau Diamètre Moyen Pondéré (MWD⁷) Yoder, 1936

Sol entier Gouttes d'eau Nombre de gouttes Mc Calla, 1944a

- Tamisage à sec > 0.84 mm / Index de stabilité

structurale à sec

Chepil, 1952

< 2 mm Tamisage à l'eau, éthanol, Benzène

% > 0.200 mm / index de Hénin Hénin et al., 1958

Sol entier Tamisage sec et à l’eau Delta de MWD De Leenheer et De Boolt,

1959

4-5 mm Gouttes de pluie Nombre de gouttes Low, 1967

4 – 5 mm Ultrasons Taux de dispersion Edwards et Bremer, 1967

3-5 mm Immersion Qualitatif Emerson, 1967

1 – 3 mm Immersion 24 h, agitation > 1 mm Skinner, 1979

- Tamisage à l'eau > 3 mm / Index de stabilité Bryan, 1968

4 – 5 mm Ultrasons Porosité inter-agrégats Grieve, 1980

2 – 9 mm Gouttes de pluie MWD Young, 1984

1 – 2 mm Tamisage à l’eau % > 0.250 mm Kemper et Rosenau, 1986

2-3, 4 mm Tamisage à l’eau MWD Churchman et Tate, 1987

5 – 8 mm Gouttes de pluie Temps jusqu’à rupture Farres, 1987

0.3 – 2 mm Réhumectation capillaire, agitation

> 0.2 mm Kinsbursky et al., 1989

Sol entier Pluie simulée % < 0.125 mm Loch, 1989

1 – 2 mm Tamisage à l’eau et dispersion des colloïdes

% > 0.250 mm Pojasok et Kay, 1990

- Dispersion ultrasons Constant de stabilité, k Fuller et Goh, 1992

- Tamisage à sec pendant 1 et 5 mn

Distribution de la masse Buschiazzo et al., 1994 3 – 5 mm Humectation rapide, lente,

désagrégation mécanique par agitation après réhumectation

MWD Le Bissonnais, 1996a

Tableau 2 : Caractéristiques de différentes méthodes d’évaluation de la stabilité structurale

6 Principe équivalent à la méthode de Middleton, 1930 (calcul de dispersion) ou à la pipette de Robinson (granulométrie)

7 Mean Weight Diameter (MWD) : Dans cette étude, les valeurs de stabilité structurale seront exprimées dans cette unité.

1.2 Rôle de la matière organique du sol sur la formation et la