Effects of granular heterogeneities on soil suffusion
Ιnfluence des hétérοgénéités granulaires sur la suffusiοn des sοls
Résumé
The pathologies against which hydraulic structures are designed manifest in different ways at different zones of the structure, and among them internal erosion remains the main cause of failure of earthen structures. Suffusion (internal volume erosion) is the detachment and subsequent transport of particles through the pores of the granular medium. Many studies on suffusion have been carried out on homogeneous soils and few have been dedicated to soils with heterogeneities. The aim of this research work is to characterize the suffusion mechanisms in soils with structural heterogeneity by layers (central, downstream) and to highlight their influence on the initiation and development of suffusion. Two approaches were adopted: one experimental and the other numerical (discrete elements). The experimental study was conducted with columns subjected to vertical downward flow under controlled hydraulic load, using different types of soils and different scales of investigation. Suffusion tests were conducted on medium sand and coarse soil (Rhine gravel) from a dike, and then on glass beads for comparison with numerical results. The development of suffusion and its consequences were analyzed using cumulative eroded mass, post-suffusion granulometry, variation of local hydraulic gradient and permeability. The effect of heterogeneity typology on suffusion was highlighted, showing that the downstream heterogeneity configuration at a rate of 60% is the most vulnerable. The presence of a central heterogeneity leads to an increase in the retention efficiency of the eroded particles downstream. However, the complexity of the processes generated does not allow to dissociate their effects. It is therefore necessary to conduct a complementary study that takes into account the transport and retention of fine particles in the soil. Thus, the transfer of particles in a heterogeneous soil under the effect of suffusion was explored at the pore scale using X-ray tomography. The results showed that heterogeneity in the downstream layer plays an important role in controlling the suffusion process. The numerical part, based on a CFD-DEM modeling, allowed to simulate suffusion tests using the PFC3D software in order to characterize the influence of granular heterogeneities on the vulnerability of soils to suffusion and to evaluate the role of each layer and their interaction towards this process. The comparison of the numerical results with those obtained by a suffusion test shows a concordance and validates the numerical approach.
Les pathologies contre lesquelles les ouvrages hydrauliques sont conçus se manifestent de différentes façons dans différentes zones de l’ouvrage, et parmi elles l’érosion interne reste la cause principale de la rupture des ouvrages en terre. La suffusion (érosion interne de volume) est le détachement puis le transport des particules à travers les pores du milieu granulaire. De nombreuses études sur la suffusion ont été réalisées avec des sols homogènes et peu ont été dédiées aux sols présentant des hétérogénéités. Ce travail de recherche a pour but de caractériser les mécanismes de suffusion dans les sols présentant une hétérogénéité structurale par couches (centrale, avale) et de mettre en évidence leur influence sur l’initiation et le développement de la suffusion. Deux approches ont été adoptées: l’une expérimentale et l’autre numérique (éléments discrets). L’étude expérimentale a été menée avec des colonnes soumises à un écoulement vertical descendant sous charge hydraulique contrôlée, en utilisant différents types de sols et différentes échelles d’investigation. Les essais de suffusion ont été menés sur un sable moyen et un sol grossier (graves du Rhin-France) provenant d’une digue, puis sur des billes de verre pour établir une comparaison avec les résultats numériques. Le développement de la suffusion et ses conséquences ont été analysés en utilisant la masse érodée cumulée, la granulométrie post-suffusion, la variation du gradient hydraulique local et de la perméabilité. L’effet de la typologie des hétérogénéités sur la suffusion a été mis en évidence, montrant que la configuration d’hétérogénéité avale à un taux de 60% est la plus vulnérable. La présence d’une hétérogénéité centrale conduit à l’augmentation de l’efficacité de rétention des particules érodées en aval. Cependant, la complexité des processus engendrés ne permet pas de dissocier leurs effets. Il est alors nécessaire de mener une étude complémentaire qui tient compte du transport et de la rétention des particules fines dans le sol. Ainsi, le transfert des particules dans un sol hétérogène sous l’effet de la suffusion a été exploré à l’échelle du pore en utilisant la tomographie à rayons X. Les résultats ont montré que l’hétérogénéité dans la couche avale joue un rôle important dans le contrôle du processus de suffusion. La partie numérique, basée sur une modélisation CFD-DEM a permis de simuler des essais de suffusion en utilisant le logiciel PFC3D afin caractériser l'influence des hétérogénéités granulaires sur la vulnérabilité des sols à la suffusion et d’évaluer le rôle de chaque couche et leur interaction vis-à-vis de ce processus. La confrontation des résultats numériques à ceux obtenus par un essai de suffusion montre une concordance et valident l’approche numérique.
Domaines
Génie civil| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|