Article de recherche / Research Article

Nouveau dispositif pour l’étude de la suffusion suivant différents états mécaniques

New device for the study of suffusion under several stress states

Nantes Université, École Centrale Nantes, CNRS, GeM, UMR 6183, Saint-Nazaire, France

^* Auteur de correspondance : didier.marot@univ-nantes.fr

Accepté : 9 Février 2023

Résumé

Les instabilités et les ruptures que peuvent subir les digues et les barrages en remblais sont très majoritairement dues aux processus d’érosion externe (surverse) et d’érosion interne (renard hydraulique, érosion régressive, érosion de contact ou suffusion). Cette étude porte sur la suffusion qui peut mobiliser la fraction fine de sols pulvérulents ou faiblement cohésifs. Ce processus complexe combine trois mécanismes : le détachement, le transport et l’éventuelle filtration des particules fines. De nombreux critères ont été proposés dans littérature, pour caractériser la susceptibilité à la suffusion, en considérant uniquement la distribution granulométrique et éventuellement la densité du sol. Toutefois, plusieurs études ont montré que l’initiation et le développement de la suffusion dépendent aussi du chemin de chargement hydraulique. Par ailleurs, chacun des trois mécanismes susmentionnés dépend du chargement mécanique subi par le sol. Dans ce contexte, un dispositif expérimental a été développé afin de caractériser la sensibilité vis-à-vis de la suffusion, de quatre sols pulvérulents à distribution lacunaire (composé de sable et de gravier), en contrôlant l’état mécanique et le chemin de chargement hydraulique. Les essais sont réalisés à l’aide du banc triaxial dédié qui permet d’appliquer à l’échantillon (diamètre : 100 mm ; hauteur : 200 mm) un écoulement vertical descendant. La charge hydraulique appliquée est augmentée automatiquement, par faibles incréments et suivant le même chemin pour tous les essais. Les échantillons sont tous consolidés sous une même contrainte effective moyenne, mais la valeur du déviateur de contrainte est propre à chaque essai. Enfin des essais sont menés en conditions œdométriques. L’interprétation des évolutions de conductivité hydraulique et de taux d’érosion permet tout d’abord d’identifier 4 étapes successives : initiation, filtration, débourrage et état permanent caractérisant la fin du processus de suffusion. Chacune de ces étapes est ensuite étudiée à l’aide de différentes méthodes interprétatives. À la fin de chaque essai, les échantillons sont découpés en 4 couches afin de mesurer les évolutions de distribution granulométrique. Les résultats obtenus soulignent la présence d’écoulements préférentiels circonférentiels pour l’essai réalisé en conditions œdométriques, ce qui conduit à une légère surestimation de la sensibilité à la suffusion. En conditions triaxiales, l’influence sur la suffusion du déviateur de contrainte apparaît limitée, notamment en regard de l’influence du pourcentage de sable. Enfin la confrontation de ces résultats montre que contrairement à l’approche énergétique, l’approche en conductivité hydraulique ne permet pas de détecter toutes les étapes pour tous les essais.

Abstract

Dikes and dams can be subjected to instabilities and failures which are mainly due to external erosion (overtopping) and internal erosion processes (concentrated leak erosion, backward erosion, contact erosion and suffusion). This study deals with suffusion which can mobilize the fine fraction of cohesionless or low cohesive soils. This complex process combines three mechanisms: detachment, transport and possible filtration of the fine particles. Numerous criteria have been proposed in the literature to characterize the suffusion susceptibility, by only considering the grain size distribution and possibly the density. However, several studies show that the initiation and the development of suffusion also depend on the hydraulic loading path. Moreover, all aforementioned mechanisms depend on the mechanical state applied on the soil. In this context, an experimental apparatus was developed to characterize the suffusion susceptibility of four cohesionless gap-graded soils (composed by sand and gravel) under controlled stress states and a controlled hydraulic loading path. A vertical downward flow is applied to each specimen (diameter: 100mm, height: 200mm) thanks to a modified triaxial bench. The applied head is progressively increased by small increments and the same hydraulic load is applied for all realized tests. Specimens are all consolidated under the same mean effective stress but under various values of deviatoric stress. Finally, several specimens are tested in oedometric conditions. By following the time evolutions of the hydraulic conductivity and the erosion rate, it is possible to distinguish 4 successive steps: initiation, self-filtration, blow-out and steady state which characterizes the end of the suffusion process. Each step is characterized with different interpretative methods. At the end of each test, the specimen is cut in 4 slices to measure post-suffusion gradations. The results highlight the presence of circumferential flow paths in oedometric conditions, which leads to a slight overestimation of the suffusion susceptibility. In triaxial testing conditions, the influence of the stress state on the suffusion appears limited, in particular when considering the effect of the percentage of sand. The comparison of these results shows that, in contrast to the energy-based approach, the hydraulic-conductivity-based approach doesn’t permit the detection of all steps for all performed tests.