Centro de Informacion y Documentacion Cientifica (CINDOC). C/Joaquin Costa, 22. 28002 Madrid. SPAIN / CINDOC - Centro de Informaciòn y Documentaciòn CientìficaSIGLEESSpai

Gelletly, W.

Lozano, M.

Rubio, B.

Gelletly, W. (eds.)

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Experimental nuclear physics in Europe

NARCIS 

Experimental Nuclear Physics in Europe

University of Groningen Research Database

Sala, Georges-Henri

Tessier, D.

Horizon / Pleins textes

C. R. Acad. Sci. Paris, t. 316; Série II, p. 231-236, 1993 231 
Pédologie/ Pedology 
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Importance de l'état énergétique de l'eau sur l'aptitude au 
tassement de matériaux argileux non saturés 
Georges-Henri SALA et Daniel TESSIER 
Résumé - I1 existe un domaine de potentiel de l'eau (- - 30 à N - 100 kPa) oÙ les forces 
capillaires contribuent au rapprochement des agrégats de sols et provoquent ainsi le compactage 
des matériaux. L'application d'une contrainte mécanique supplémentaire ne fait qu'amplifier le 
tassement préalablement induit par les forces d'hydratation. 
Importance of the energy state of water on compaction of unsaturated clayey soil 
materials 
Abstract - Over the range of -30 to - 100 IcPa, capillary forces acting between soil aggregates 
Mechanical stress just amplifies compaction provoke an increase of the material's compactness. 
previously induced by hydration forces. 
Abridged English Version - Soil materials are mainly characterized by the presence of 
large pore spectra capable of retaining water available to plants and permitting gravitational 
water movement in the soil. Consequently, the soil is generally unsaturated, and the water 
pressure is lower than the atmospheric pressure [l]. In  general, as the pore space of a soil 
is reduced, a degradation of the physical properties occurs as well as a decrease of fertility 
in numerous soils of temperate climate and tropical areas ([2], [3]). 1 Many studies have bpen 
conducted on the compaction due to the heavy equipment used for tillage or defo 
and its detrimental effect on soil. 
subject -to compaction has been determined [4]. Few works, however, have ta 
account the energy state of water and its associated hydration forces in soil pore space. This 
Note deals with the effects of the energy state of water on soil compaction mechanism, as 
an attempt to better understand and predict the behaviour of soil as it occurs in nature. 
The water content at which any soil material is p 
MATERIALS AND METHODS. - Two clay materials were studied. The first was collected 
from the B horizon of a clayey-loamy soil from the Versailles area (France) and the second 
was a kaolinitic material from St-Austell (Great Britain). Crumbs of the B horizon were 
oven dried at 105°C. A paste of St-Austell kaolinite was prepared and subsequently dried 
in the same conditions. Aggregate beds were prepared by fragmenting and sieving the 
materials. After full wetting, aggregate beds were put at various water potentials by applying 
a gas pressure in an apparatus especially designed for the experiments [5] (Fzg. lu).  At each 
water potential, a one-dimensional mechanical pressure was subsequently exerted by applying 
a gas pressure above the piston. The apparatus thus works as an œdometer (Fzg. 1 b).  
RESULTS AND DISCUSSION. - The volume changes produced by the application of a one 
dimensional pressure are illustrated in Figure 2 u  and B. The curves were obtained at water 
potentials between O and -200 kPa. The compression curves show that the major compac- 
ting effect was obtained between O and 200 kPa. Furthermore, the materials prepared at 
water potentials of - 30 to - 100 kPa were those presenting lower apparent volumes. The 
volume change curves also indicate that the material compressibility is maximum over a very 
short range of water content values, namely 0.5 and 0.2 cm3/g for kaolinite and B horizon, 
Note présentée par Georges PÉDRO. 
0764-4450/93/03160231 $ 2.00 O Académie des Sciences QRSTOU Fonds Documentaire 
232 G.-H. Sala et D. Tessier 
respectively, and corresponding to similar water potential values (- 30 to - 100 kPa). Thus, 
in unsaturated clayey materials, it can be concluded that the compression behaviour of soils 
is above all dependent upon the energy state of water rather than the water content. In 
addition, as similar volume changes were observed when no mechanical pressure was applied, 
mechanical pressure only amplifies an effect due to hydration forces. 
The question is now what real influence a mechanical pressure can play on sample organiza- 
tion of unsaturated soil materials. The aggregate beds under study roughly define two types 
of porosity. The first one is due to clay particle arrangement inside aggregates, the second 
results from the assemblage of aggregates. In the range of the water potentials studied, i.e. 
above -200 kPa, the pores of the clay matrix are necessarily saturated with water [6]. On 
the basis of Jurin-Laplace equation we can calculate the curvature radius and the associated 
pore sizes which are filled with water according to water potential. Between -30 and 
- 100 kPa, pore sizes range from 10 to 1 pm, approximately. We can conclude for water 
potentials lower than - 100 kPa, (pores < 1 pm), that the inter-aggregate space is empty 
and that capillary forces cannot act in compacting the system. For water potentials higher 
than - 30 kPa (pores > N 10 pm), the pore space can be largely filled with water and it 
appears that curvature radii of menisci are too large to collapse the system. Finally, only 
intermediate menisci (1 to 10 pm), can contribute significantly to increase material com- 
pactness. 
CONCLUSIONS. - Water potential plays a major role in the reorganization of unsaturated 
soil materials. Capillary forces largely govern both volume change and water retention in 
the range of high water potentials. As opposed to highly saturated and very dry materials, 
materials with water potentials of -30 to - 100 kPa (pF=2.5-3.0) are very easily 
compacted. These results need to be confirmed but, from a practical point of view, it 
appears that soils at field capacity (water pressure - - 5 kPa, [7]) are not really sensitive to 
compaction. Conversely, soils at water potentials of - 30 to - 100 kPa seem to be more 
questionable as far as soil degradation is concerned. 
1. INTRODUCTION. - Les matériaux pédologiques sont caractérisés avant tout par la 
présence d’un spectre poral relativement macroscopique susceptible de retenir l’eau 
utilisable par les plantes et de permettre par ailleurs l’écoulement de l’eau par gravité. 
De ce fait, le sol est généralement un milieu non saturé, au sein duquel la pression de 
l’eau est alors inférieure-à la pression atmosphérique [ 11. Aussi toute réduction du spectre 
macro-poral est presque toujours à l’origine d’une dégradation des propriétés physiques. 
I1 est admis aujourd’hui que cette réduction est l’une des causes actuelles de la baisse de 
fertilité de nombreux sols, et ce, sous climat tempéré comme dans les régions tropicales 
([2], [3]). Parmi les facteurs de dégradation, la mécanisation des travaux agricoles et sa 
conséquence le tassement a fait l’objet de nombreux travaux. Ceux-ci ont montré que 
pour un matériau donné, il existe un seuil de teneur en eau à partir duquel un matériau 
devient sensible au tassement [4]. Les travaux de recherche antérieurs font cependant peu 
référence à l’état énergétique de l’eau et au rôle des forces d’hydratation dans le comporte- 
ment et l’évolution du spectre poral des sols. L’objectif de cette Note est de montrer 
l’importance de l’état énergétique de l’eau sur le mécanisme du tassement, de façon à 
mieux comprendre et ainsi à prévoir le comportement des sols. 
L’eau et les matériaux argileux 233 
2. MATÉRIAUX ET MÉTHODES. - L’étude a porté sur deux matériaux argileux, le premier 
est représentatif des argiles des plateaux du nord de la France et provient de l’horizon Bt 
du sol lessivé limoneux de Versailles; il est constitué d’un mélange de 25 % de kaolinite, 
25 % d’argile micacée (illite) et 35 % d’argiles 2 : 1 à caractère expansible (2/3 de smectite 
et 1/3 de vermiculite). Le second matériau est formé par une kaolinite très pure provenant 
du gisement de St-Austell en Grande-Bretagne. Des mottes de l’horizon B de Versailles 
ont été séchées l’air puis à l’étuve à 105°C. Pour les besoins de l’étude, la kaolinite de 
St-Austell a d’abord été préparée sous la forme de pâte. Elle a par la suite été amenée à 
dessication par séchage à l‘étuve à 105°C. Les matériaux ont ensuite été fragmentés dans 
un mortier et des massifs d’agrégats de 0,l-0,5 mm et 0,l-2 mm ont été préparés par 
tamisage. Les massifs d’agrégats ont été par la suite humectés par capillarité pendant la 
nuit, puis portés à des potentiels de l’eau définis, depuis - 10 jusqu’à -200 kPa dans 
un dispositif spécialement mis au point ( f ig .  1 u). A cet effet, en maintenant le piston en 
position haute, la pression de gaz a d’abord été appliquée directement sur le matériau, 
permettant de fixer le potentiel de l’eau [SI. Dans une seconde phase, le piston a été 
abaissé isolant ainsi, du fait du joint d’étanchéité, les chambres haute et basse du 
dispositif. La pression de gaz exercée sur le piston transmet une pression mécanique 
Fixation du potentiel Application de la 
de l‘eau pression mecanigue 
du potentiel de l’eau et (b) application d’une pression 
Fig. 1. - Dispositif utilisé pour les expériences : (a) fixation 
mécanique unidimensionnelle. 
Fig. 1. - Apparatus usedfor experinients with (a)$xation of 
water potential and (b) application of the one-dimensional 
pressure. a 
Joint torique 
unidimensionnelle sur l’échantillon cfig. 1 b). La cellule fonctionne alors comme un 
œdomètre qui présente cependant l’avantage d’avoir pu fixer l’état hydrique de départ 
de l’échantillon, puis la compression mécanique jusqu’à 1600 kPa. Notons que dans les 
expériences réalisées chaque point de mesure correspond au moins à trois répétitions et 
que le volume apparent et la teneur en eau des échantillons ont été rapportés à leur 
masse sèche (référence 105T). 
3. RÉSULTATS. - Les courbes de changement de volume des échantillons en fonction 
de la pression mécanique unidimensionnelle sont présentées figure 2 a et b. Chaque courbe 
correspond à un état hydrique initial allant de O à -200 kPa. Quel que soit cet état 
hydrique initial, les courbes de compression mécanique présentent le même aspect, 
l’essentiel du tassement étant obtenu entre O et 200 kPa environ. Les matériaux préparés 
au départ à des potentiels de d‘eau de - 30 et - 100 kPa sont aussi ceux qui présentent 
ensuite, à toutes les pressions mécaniques, les plus faibles volumes apparents. 
4. DISCUSSION. - Elle portera sur le rôle du potentiel de l’eau, et en conséquence des 
forces d’hydratation, sur le tassement de matériaux à organisation hétérogène. 
- L‘étude de I’évolution du volume massique en fonction du contenu en eau initial et 
des pressions mécaniques appliquées indique que les matériaux présentent des valeurs 
234 G.-H. Sala et D. Tessier 
aJ 1,2 
5 
P 
o 
3 
- 
Potentiel de l ’eau  (kPa) Y 
O 
k 110 
T 
cn . - 
0,8 
+ - ío 
- 200 
z? nJ 0,B - 30 
- 100 
c ru 
L m a
E =
O >
0,44 : : : i 1 
O 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 O 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 
Pression mécanique (kPa) Mechanical pressure Pression mécanique (kPa) Mechanical pressure 
Fig. 2. - Courbes de compression obtenues sur des massifs d’agrégats 
pour l’horizon B de Versailles (a) et la Kaolinite de St-Austell (b). 
Fig. 2. - Compression ciirves obtained on aggregate beds prepared at ziarioirs water potentials 
with (a) Versailles B horizon and ( E )  St-Aalstell kaolinite. 
minimales de volume massique pour une gamme de teneur en eau initiale très resserrée, 
propre à chaque matériau. Elle est centrée respectivement sur 0,5 et 0,2 cm3/g pour la 
Pression mécanique (kPa) 
Horizon B Kaolinite O 
, I I  , I ,  I I 
O 0,2 0,4 0,6 0,B 1 , 0  
Teneur en eau i n i t i a l e  (cm3/g) I n i t i a l  va te r  content 
Fig, 3. - Évolution du volume apparent en fonction 
de la teneur en eau et importance du potentiel de 
l’eau sur le tassement. 
Fig. 3. - Apparent volimw change as afimciion of water 
content and size of the water potential on compaction. 
kaolinite et pour I’horizon B ( f ïg .  3). En rapportant les résultats du tassement au potentiel 
de l’eau dans les échantillons (fig 3), il apparaît que ces valeurs minimales de volume 
massique sont obtenues pour des valeurs de potentiels de l’eau initiaux très similaires : 
-30 à - 100 kPa. Beaucoup plus que la teneur en eau, c’est donc l’état énergétique de 
l’eau qui doit être considéré, dans les matériaux non saturés, comme une variable 
essentielle du comportement rhéologique. 
Par. ailleurs, il apparaît qu’à pression mécanique nulle le volume massique apparent 
des matériaux est aussi minimal pour des potentiels de l’eau de - 30 à - 100 kPa. La 
L’eau et les matériaux argileux 235 
compression mécanique influe donc peu sur la forme de la courbe de variation de volume 
des échantillons et ne fait qu’amplifier le tassement préalablement induit par les forces 
d’hydratation. 
- La question est alors de savoir quelle part jouent respectivement les contraintes 
hydriques et mécaniques dans la réorganisation des matériaux noti saturés d’eau. Les 
massifs d’agrégats étudiés présentent l’avantage de pouvoir définir deux types de porosité 
très tranchée. La première résulte de l’arrangement des particules argileuses, il s’agit de 
la porosité intra-agrégat. Dans le domaine de potentiel de l’eau étudié ( N  > -200 lcPa), 
les pores concernés, c’est-à-dire les pores de la matrice argileuse, sont largement ou 
complètement saturés d’eau [6]. La seconde est délimitée par l’empilement des agrégats. 
Connaissant le potentiel de l’eau, la loi de Jurin-Laplace permet d’approcher l’ordre de 
grandeur des rayons de courbure des ménisques capillaires à l’interface solide-liquide- 
gaz, qui est d’ailleurs du même ordre de grandeur que la taille des pores concernés. 
Entre - 30 et - 100 kPa, la taille de pores est comprise entre 10 et 1 pm environ, elle 
est donc de taille suffisante pour assurer une certaine continuité du film d’eau entre les 
agrégats. Les rayons de courbure des ménisques étant en outre relativement petits, ces 
derniers sont susceptibles d’exercer une forte traction sur les parois des agrégats. Les 
conditions sont alors réunies pour que les forces capillaires provoquent le rapprochement 
des agrégats et induisent au total une réduction du volume macroscopique. 
Pour les potentiels de l’eau inférieurs à - 100 kPa, en revanche, le rayon de courbure 
des ménisques est < - 1 pm. De ce fait, l’espace inter-agrégat est nécessairement dide 
d’eau et les forces capillaires n’interviennent plus dans le rapprochement des agrégats. 
Elles assurent cependant une forte cohésion aux agrégats. 
Enfin, aux potentiels de l’eau > - 30 kPa, les rayons dd courbure sont toujours 
> N 10 pm. L’eau occupe alors une grande partie de l’espace inter-agrégat. Dans ces 
conditions, le rayon de courbure des ménisques est trop grand pour que les forces 
capillaires soient susceptibles d’exercer une traction suffisante sur les parois des agrégats. 
En outre, comme les matériaux sont alors fortement saturés d’eau et la compression 
mécanique appliquée pendant un court laps de temps, ils sont largement incompac- 
tables [4]. Le rapprochement des agrégats et, par voie de conséquence, le tassement ne se 
produit pas. 
I1 existe donc un domaine de potentiel de l’eau initial déterminé, entre -30 et 
- 100 kPa, où les forces capillaires peuvent contribuer de façon significative au rappro- 
chement des agrégats et ainsi provoquer un tassement ou à la prise en masse d’échantillons 
de sols non saturés d‘eau. La compression mécanique entraîne une réorganisation supplé- 
mentaire, largement pré-orientée par le potentiel hydrique de départ. La connaissance 
du rôle du potentiel de l’eau, lors de l’application de la compression mécanique, reste 
cependant à déterminer dans la mesure où son contrôle n’a pas été possible. 
5. CONCLUSION. - I1 ressort de l’étude du tassement que le potentiel de l’eau initial 
joue un rôle décisif dans la réorganisation des mattriaux.de sols non saturés soumis à 
des contraintes mécaniques. Les forces capillaires gouvernent à la fois les variations de 
volume et la rétention de l’eau. Ce ne sont pas les matériaux saturés d’eau, ni les 
matériaux les plus secs qui sont les plus sensibles au tassement, mais bien ceux dans 
lesquels le potentiel de l’eau est de l’ordre de -30 à - 100 1cPa (pF=2,5 à 3). Ces 
premiers résultats obtenus, sur des massifs d’agrégats, devront être confirmés sur d’autres 
types d’échantillons, en particulier des matériaux naturels non remaniés. Ils ouvrent 
cependant de nouvelles perspectives dans la connaissance du tassement des sols. D’ores 
‘ 
C. R., 1993, 1”‘ Semestre (T. 316) Série II - 17 
236 G.-H. Sala et D. Tessier 
et déjà, si l'on se place d'un point de vue pratique, il apparaît par exemple que la teneur 
en eau des sols à la capacité au champ, ([7], N - 5 kPa, pF=  N 1,7), ne correspond 
probablement pas à la zone d'humidité la plus sensible au tassement. En revanche, dès 
la première phase du dessèchement (- 30 à - 100 kPa), les conditions sont vraisemblable- 
ment réunies pour que le sol devienne très sensible au tassement. 
Note remise le 22 juin 1992, acceptée après révision le 10 novembre 1992. 
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75 p. 
G.-H. S. : ORSTOM, 2051, avenue du Val-de-Montferrand, 34032 Montpellier Cedex; 
D. T. : I.N.R.A., Station de Science du Sol, 78026 Versailles. 
