FR2670895A1 - Novel method and implementation device for measuring the water permeability of unsaturated porous media in the transient regime - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un nouveau procédé pour la mesure de la perméabilité à l'eau des milieux poreux non-saturés, et un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. The present invention relates to a new method for measuring the water permeability of unsaturated porous media, and a device for carrying out this method.
Du fait des actions de capillarité et d'adsorption intervenant entre la phase liquide et la phase solide dans les milieux poreux non saturés en eau, la pression de l'eau p y est inférieure à la pression atmosphérique a . Si on prend a = o conventionnellement, il en résulte que la pression de l'eau dans ces milieux est négative. On peut l'appeler pression capillaire, ou encore succion s = p - p . La succion est une grandeur physique délicate à mesurer et à contrôler sur toute sa gamme de variation (de O à plusieurs dizaine de pa).C'est la raison pour laquelle les mesures de perméabilité au sens de la loi de
Darcy généralisée aux milieux poreux non saturés sont délicates et peu répandues.Certaines sont basées sur le suivi des débits et des succions (mesurées par tensiomètrie ou psychrométrie) en phases transitoires d'infiltration ou de drainage, d'autres sur le suivi des débits, en régime transitoire ou permanent, avec imposition d'incréments ou de gradients de succion. Dans ce cas, les succions sont imposées par la technique dite de translation d'axes, consistant à imposer la succion s = p - au moyen d'une contrepression d'air p > o, avec o 5 p < p. Because of the capillary action and adsorption occurring between the liquid phase and the solid phase in the porous media unsaturated with water, the pressure of the water py is lower than the atmospheric pressure a. If we take a = o conventionally, it follows that the pressure of water in these environments is negative. It can be called capillary pressure, or else suction s = p - p. Suction is a delicate physical quantity to be measured and controlled over its entire range of variation (from 0 to several tens of pa). This is the reason why the permeability measurements in the meaning of the law of
Darcy generalized to unsaturated porous media are delicate and uncommon.Some are based on the monitoring of flow rates and suctions (measured by tensiometry or psychrometry) in transient phases of infiltration or drainage, others on the monitoring of flow rates, transient or permanent, with incremental or suction gradients. In this case, the suctions are imposed by the so-called axis translation technique, consisting in imposing the suction s = p - by means of an air counterpressure p> o, with o 5 p <p.
Ainsi, la méthode dite de Gardner (1956) consiste à imposer, à l'instant t = O, un incrément de succion donné, et à suivre dans le temps les échanges d'eau entre le milieu poreux et l'extérieur, Jusqu'à l'équilibre. Ces transferts sont gouvernés par l'équation de Richards
où e est la teneur en eau volumique, K (e) la perméabilité en non saturé, D (e) = K (o) aH est la diffusivité, avec H le potentiel
ae hydrique, et z la côte suivant un axe vertical vers le haut. On a entre
H et s la relation : s = T H où t est le poids volumique de l'eau.Thus, the so-called Gardner method (1956) consists in imposing, at time t = 0, a given suction increment, and in following the exchanges of water between the porous medium and the outside, up to equilibrium. These transfers are governed by the Richards equation
where e is the volume water content, K (e) the unsaturated permeability, D (e) = K (o) aH is the diffusivity, with H the potential
water, and z the coast along a vertical axis upwards. We have
H and s the relation: s = TH where t is the density of the water.
Cette équation , moyennant quelques hypothèses simplificatrices, se transforme en une équation de diffusion classique (équation de la chaleur)
La comparaison de l'évolution mesurée des débits ou des teneurs en eau en fonction du temps avec la solution exacte ou approchée de l'équation (2) permet la détermination du coefficient de perméabilité K(e).Des améliorations à cette méthode, tenant compte de conditions aux limites plus complexes (effet de la perméabilité des membranes ou pierres poreuses) ont été proposées par Klute (1952) et Kurize et Don
Kirkham (1962)
Une autre méthode de contrôle de la succion, dite "méthode osmotique", peu répandue et provenant des recherches médicale, biologique et agronomique, consiste à mettre le milieu poreux non saturé au contact d'une membrane semi-perméable, derrière laquelle circule une solution aqueuse de grosses molécules incapables de traverser la membrane, alors que l'eau le peut. Les molécules d'eau du milieu poreux peuvent ainsi être soumises à travers la membrane semi-perméable à une action d'attraction vers la solution due aux phénomènes d'osmose, et qui correspondent au développement d'une pression négative au sein du milieu poreux, d'autant plus importante que la concentration de la solution est grande. Une telle méthode permet d'atteindre des succions de 1500 kPa.The comparison of the measured evolution of flows or water contents as a function of time with the exact or approximate solution of equation (2) allows the determination of the coefficient of permeability K (e). Improvements to this method, taking into account account of more complex boundary conditions (effect of permeability of membranes or porous stones) have been proposed by Klute (1952) and Kurize and Don.
Kirkham (1962)
Another method of suction control, known as the "osmotic method", which is not widespread and comes from medical, biological and agronomic research, involves placing the unsaturated porous medium in contact with a semipermeable membrane, behind which a solution circulates. large molecules unable to cross the membrane, while water can. The water molecules of the porous medium can thus be subjected, through the semi-permeable membrane, to an action of attraction towards the solution due to osmosis phenomena, and which correspond to the development of a negative pressure within the porous medium , all the more important as the concentration of the solution is large. Such a method makes it possible to reach 1500 kPa suctions.
L'avantage d'une telle technique par rapport à celle de surpression d'air est la légèreté : une forte succion est simplement obtenue avec une forte concentration dans le cas de la technique osmotique, alors qu'elle exige dans l'autre cas des cellules métalliques lourdes et couteuses, nécessaires afin de pouvoir contenir en toute sécurité les pressions d'air souhaitées.The advantage of such a technique compared to that of air overpressure is the lightness: a strong suction is simply obtained with a high concentration in the case of the osmotic technique, while it requires in the other case heavy and expensive metal cells, necessary to be able to safely contain the desired air pressures.
Le procédé de mesure de la perméabilité à l'eau des milieux poreux non saturés selon l'invention est basé sur l'application conJointe de la méthode osmotique de contrôle de la succion à l'aide de membranes semi-perméables et du solution de grosses molécules ne pouvant traverser la membrane , et de la méthode de Gardner de mesure de perméabilité à l'eau des milieux non saturés, appliquée Jusqu'à présent sur les systèmes de contrôle de succion par surpression d'air. Il consiste à appliquer, à un instant t = O, un incrément de succion obtenu en changeant la concentration de la solution, et à suivre au cours du temps l'évolution du volume de la solution, qui correspond au volume d'eau échangé entre l'échantillon et l'extérieur. Le calcul de perméabilité est déduit de ces données, par la méthode de Garder. The method for measuring the water permeability of the unsaturated porous media according to the invention is based on the joint application of the osmotic suction control method using semi-permeable membranes and the coarse solution. molecules that can not penetrate the membrane, and Gardner's method of water permeability measurement of unsaturated media, applied up to now on suction control systems by air overpressure. It consists in applying, at an instant t = O, a suction increment obtained by changing the concentration of the solution, and in the course of time following the evolution of the volume of the solution, which corresponds to the volume of water exchanged between sample and outside. The calculation of permeability is deduced from these data by the method of Garder.
Un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention consiste, selon une première caractéristique, à contenir la solution osmotique dans un circuit fermé comprenant entre autres le système dit "osmotique de mise à succion", où est réalisé le contact entre l'échantillon de milieu poreux non saturé et la membrane semi-perméable, afin de permettre les échanges d'eau au travers de la membrane entre l'échantillon et la solution ; en plus de ce système osmotique de mise à succion, le circuit fermé comprend un réservoir tampon contenant un volume suffisant de solution pour permettre de maintenir la constance de sa concentration malgré les échanges d'eau entre la solution et l'échantillon au niveau de la membrane semi-perméable au sein du système osmotique de mise à succion ; le circuit fermé comprend également un système de connexion assurant un branchement en série entre le réservoir tampon et le système osmotique de mise à succion, et une pompe destinée à permettre une mise en circulation lente de la solution, afin de maintenir constante sa concentration au niveau de la membrane semi-perméable où ont lieu les échanges entre le milieu poreux et la solution. Ainsi, la circulation lente de solution dans le circuit fermé permet de maintenir une condition de succion contrôlée à l'éprouvette contenue dans le système osmotique de mise à succion. Selon lot une seconde caractéristique, le volume total de la solution contenue dans le circuit fermé est mesuré en permanence, sachant que les variations de ce volume correspondent exactement aux échanges d'eau entre l'éprouvette et la solution.Selon une troisième caractéristique, le réservoir est placé dans une enceinte thermostatée de précision, afin de se prémunir des variations volumiques parasites dues aux variations de température
Selon un mode particulier de réalisation, la mesure des variations volumiques de la solution peut être réalisée à l'aide d'un tube capillaire gradué connecté au réservoir tampon, par le suivi du niveau du menisque de solution.A device for implementing the method according to the invention consists, according to a first characteristic, of containing the osmotic solution in a closed circuit comprising, among other things, the so-called "osmotic suctioning system", where contact is made between the unsaturated porous medium sample and semipermeable membrane, to allow water exchange across the membrane between sample and solution; in addition to this osmotic suction system, the closed circuit comprises a buffer tank containing a sufficient volume of solution to maintain the constancy of its concentration despite the exchange of water between the solution and the sample at the level of the semi-permeable membrane within the osmotic suction system; the closed circuit also comprises a connection system providing a series connection between the buffer tank and the osmotic suction system, and a pump for allowing a slow circulation of the solution, in order to maintain constant concentration at the level of the semipermeable membrane where exchanges occur between the porous medium and the solution. Thus, the slow circulation of solution in the closed circuit makes it possible to maintain a controlled suction condition for the specimen contained in the osmotic suction system. According to a second characteristic, the total volume of the solution contained in the closed circuit is continuously measured, knowing that the variations of this volume correspond exactly to the water exchanges between the test specimen and the solution. According to a third characteristic, the tank is placed in a precision thermostated enclosure, in order to guard against parasitic volumic variations due to temperature variations
According to a particular embodiment, the measurement of the volume variations of the solution can be carried out using a graduated capillary tube connected to the buffer tank, by monitoring the level of the meniscus solution.
Les dessins annexés illustrent l'invention. The accompanying drawings illustrate the invention.
La figure 1 représente, en coupe, le mode particulier de réalisation du dispositif selon l'invention, appliqué à un système osmotique de mise en succion développé pour les sols par Kassif et
Benshalom (1974).FIG. 1 represents, in section, the particular embodiment of the device according to the invention, applied to an osmotic suctioning system developed for the soils by Kassif and
Benshalom (1974).
La figure 2 représente une courbe typique de suivi des variations d'échanges d'eau entre l'échantillon et la solution, en fonction du logarithme du temps, permettant le calcul de la perméabilité K(e). Q(t) est le volume d'eau extrait à l'instant t, mesuré au moyen du dispositif selon l'invention. FIG. 2 represents a typical curve for monitoring the water exchange variations between the sample and the solution, as a function of the logarithm of the time, allowing the calculation of the permeability K (e). Q (t) is the volume of water extracted at time t, measured by means of the device according to the invention.
La figure 3 représente les variations de log (Q(O) - Q(t)) en fonction du temps, qui permet également le calcul de K(e). Figure 3 shows the variations of log (Q (O) - Q (t)) as a function of time, which also allows the calculation of K (e).
En référence à ces dessins, et dans le mode de réalisation du dispositif selon l'invention illustré à la figure 1, le réservoir tampon contenant la solution et destiné à maintenir sa concentration constante en dépit des échanges au travers de la membrane semi-perméable entre l'eau du milieu poreux et celle de la solution est constitué d'un flacon (10), obstrué par un bouchon (11) de telle sorte qu'aucune bulle d'air ne soit piégée. Deux conduits reliant le réservoir de solution au circuit fermé (12) intégrant le système osmotique de contrôle de succion développé par Kassif et Benshalom (1974) et appelé oedomêtre à succion contrôlée traversent le bouchon en maintenant l'étanchéité : (13) pour la sortie et (14) pour le retour.Une pompe à débit variable (15) engendre la circulation de la solution dans le circuit, afin de permettre la constance de la concentration à proximité de la zone d'échange d'eau au travers de la membrane semi-perméable (5) de l'embase (6). Dans le système (1) de Kassif et Benshalom, la membrane semi-perméable (5) est collée sur l'embase (6), et un tails (7) inséré entre la membrane semi-perméable (5) et l'embase (6 permet la circulation de la solution entreAl'em'Dase t6) et la membrane (7), depuis l'orifice d'accès (8) Jusqu'à l'orifice de sortie (9).Vu le faible taux d'échanges d'eau entre la solution et l'échantillon poreux; le débit de
3 la pompe peut être faible (3cm3/mn). With reference to these drawings, and in the embodiment of the device according to the invention illustrated in FIG. 1, the buffer reservoir containing the solution and intended to maintain its constant concentration despite the exchanges through the semipermeable membrane between the water of the porous medium and that of the solution consists of a bottle (10), obstructed by a plug (11) so that no air bubble is trapped. Two ducts connecting the solution tank to the closed circuit (12) integrating the osmotic suction control system developed by Kassif and Benshalom (1974) and called oedomêtre controlled suction through the cap while maintaining the seal: (13) for the exit and (14) for the return.A variable flow pump (15) causes the circulation of the solution in the circuit, to allow consistency of the concentration near the water exchange zone through the membrane semi-permeable (5) of the base (6). In the system (1) of Kassif and Benshalom, the semi-permeable membrane (5) is glued to the base (6), and a tails (7) inserted between the semipermeable membrane (5) and the base ( 6 allows the circulation of the solution betweenAl'em'Dase t6) and the membrane (7), from the access port (8) to the outlet orifice (9) .Vu low exchange rate water between the solution and the porous sample; the flow of
3 the pump may be weak (3cm3 / min).
Le contrôle de l'évolution des échanges d'eau au cours du temps est réalisé par le suivi du volume de la solution comprise dans le circuit fermé (12) animé par la pompe (15) et dans le flacon (10). Dans le mode de réalisation de la figure 1, la méthode choisie pour la mesure des variations de volume consiste à mettre en place un tube capillaire gradué (16) au travers du bouchon (11) en maintenant l'étanchéité, et à suivre visuellement les variations du niveau de la solution dans le capillaire.Vu la grande diversité des méthodes de mesures de variations volumiques de fluide, de nombreuses variantes non illustrées peuvent être adoptées, reposant par exemple sur un suivi automatique du niveau du fluide dans le capillaire par mesure de pression, ou encore sur un asservissement à pression nulle de la solution, ou sur d'autres méthodes couramment utilisées dans le domaine de la Céotechnique, de la Physique, ou d'autres domaines. Dans le mode de réalisation de la figure 1, un système de thermostatisation (17) permet de se prémunir des effets volumiques perturbateurs pouvant être engendrés par les variations de température. The control of the evolution of water exchanges over time is achieved by monitoring the volume of the solution included in the closed circuit (12) driven by the pump (15) and in the bottle (10). In the embodiment of FIG. 1, the method chosen for the measurement of volume variations consists in putting a graduated capillary tube (16) through the plug (11) while maintaining the seal, and visually following the variations in the level of the solution in the capillary. In view of the great diversity of methods for measuring fluid volume variations, many non-illustrated variants can be adopted, relying, for example, on an automatic monitoring of the level of the fluid in the capillary by measuring pressure, or on a zero-pressure servocontrol of the solution, or other methods commonly used in the field of ketechnics, physics, or other fields. In the embodiment of FIG. 1, a temperature control system (17) makes it possible to guard against the disturbing volume effects that can be generated by the temperature variations.
La méthode d'application de l'incrément de succion consiste donc avec le mode de réalisation du dispositif illustré en figure 1, à changer la concentration de la solution en changeant de flacon afin de connecter le circuit fermé au flacon de la concentration conrespondant à l'incrément de succion souhaité. Pour cela, l'ensemble bouchon + tube est enlevé du premier flacon, et connecté au second flacon. Pour une bonne détermination du temps t = O, il est également nScessaire de remplacer l'ancienne solution contenue entre le tube (13) de flacon (14) et l'accès (18) à l'oedomètre osmotique, par de la nouvelle solution dont la concentration correspond à l'incrément de succion voulu.Dès lors, la mise en marche de la pompe (15) entraine rapidement le contact de la nouvelle solution avec la membrane qui se traduit immédiatement par une variation perceptible du niveau dans le capillaire (16), permettant une bonne estimation du temps t = 0. The method of applying the suction increment thus consists, with the embodiment of the device illustrated in FIG. 1, of changing the concentration of the solution by changing the vial in order to connect the closed circuit to the vial of the concentration corresponding to the desired suction increment. For this, the cap + tube assembly is removed from the first bottle and connected to the second bottle. For a good determination of the time t = 0, it is also necessary to replace the old solution contained between the tube (13) of bottle (14) and the access (18) to the osmotic oedometer, by the new solution whose concentration corresponds to the desired suction increment. Therefore, the start of the pump (15) quickly causes the new solution to come into contact with the membrane, which immediately results in a perceptible variation of the level in the capillary ( 16), allowing a good estimation of the time t = 0.
La figure 2 représente le type de courbes de variations d'échanges d'eau en fonction du logarithme du temps obtenue, sous une charge constante verticale de 50 kPa appliquée à l'aide du piston (4) de la figure 1, quand on applique à t = O un incrément de succion de 100 à 200 kPa sur un limon de Jossigny. Cette courbe a bien, pour les temps initiaux où les hypothèses de calcul de la perméabilité selon les méthodes de type Gardner sont valables, l'allure d'une courbe de type diffusion, analogue par exemple à celle donnant la solution moyenne de l'équation de la consolidation de Terzaghi, identique à l'équation (2). FIG. 2 represents the type of water exchange variation curves as a function of the logarithm of the time obtained, under a vertical constant load of 50 kPa applied with the aid of the piston (4) of FIG. at t = 0 a suction increment of 100 to 200 kPa on a silt of Jossigny. This curve has, for the initial times when the hypotheses of calculation of the permeability according to the Gardner-type methods are valid, the shape of a diffusion-type curve, similar for example to that giving the average solution of the equation of the Terzaghi consolidation, identical to equation (2).
Si l'on considère maintenant une représentation donnant les variations de log (Q(o) - Q(t), où Q (t) est la quantité d'eau mesurée à l'instant t, en fonction du temps (figure 3), on observe bien, conformément à la résolution approchée de Gardner qui consiste à ne considérer que le premier terme de la série de Fourier solution de l'équation (2), une variation linéaire . Ces deux approches donnent une -I1 valeur K(e) = 1,30x10 ilm/s, pour un degré de saturation de 96,5 %. If we consider now a representation giving the variations of log (Q (o) - Q (t), where Q (t) is the quantity of water measured at time t, as a function of time (figure 3) it is well observed, in accordance with Gardner's approximate resolution of only considering the first term of the Fourier series solution of equation (2), a linear variation.These two approaches give a -I1 value K (e ) = 1.30x10 μm / s, for a degree of saturation of 96.5%.
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| CN115015075A (en) * | 2022-05-23 | 2022-09-06 | 西安交通大学 | Method for testing permeability of porous medium |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2670895B1 (en) | 1993-02-19 |
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