Impacts d'hétérogénéités granulaires sur l'érosion interne par suffusion de sols constitutifs d'ouvrages hydrauliques - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2023

Impacts of granular heterogeneities on internal erosion by suffusion of soil constituents of hydraulic structures

Impacts d'hétérogénéités granulaires sur l'érosion interne par suffusion de sols constitutifs d'ouvrages hydrauliques

Résumé

Hydraulic structures such as dams, levees and earthen dikes used for the production of electricity, for agricultural activities or as systems of protection of the goods of the populations are subjected to intense internal and external stresses that can reduce their functionality and lead to their rupture. Also, the explosion of the world's population and its associated water needs and global warming continues to increase the pressure on these structures, and increase the risk of flooding. However, with the increased modernization of construction techniques, the construction sector should normally no longer suffer from problems such as collapse of structures and erosion of embankments.In the continuity of the search for solutions in the construction, several studies of suffusion were carried out with homogeneous soils and on the other hand very few were undertaken related to soils with heterogeneities. This experimental study of the impact of granular heterogeneity on suffusion was conducted in a vertical, descending water flow and the application of imposed and incremented hydraulic gradients. The hydraulic gradient increment step for each bearing is 1 m/m for 60 minutes. Susceptibility to suffusion and its consequences were analyzed with cumulative erosion, erosion rate, axial deformation, erosion power, hydraulic conductivity (local and global) and grain size after suffusion.In this study three categories of heterogeneities (T1, T2 and T3) are developed with two Hostun sand granulometries (HN34, fine particles and HN1/2.5, coarse particles). After characterization of the T1 specimens (two-layer, two layers of different fine contents and the same density index), the results showed that the heterogeneous granular structures with low erosible fine content and low porosity, produce significant internal erosion and cause structural erosion (detachment and migration of fines). Also, the erosion rate remains high compared to homogeneous reference configuration. Heterogeneous T1 test specimens with a high fine content are more prone to suffusion with low erosion powers. For T2 (bicouche, two layers of the same fine content and different density indices), the results showed that when the initial and erosible fine fraction in the granular structure is below a threshold (Fcth = 35%, in our case study), heterogeneous test specimens are less erosible than homogeneous reference configuration. However, when the fine erosible content is close to or above the threshold, with a conductivity that has a significant drop, the erosibility of the heterogeneous test specimen is greater than the homogeneous reference configuration. As regards T3 (controlled segregation with 4 layers of the same density index and different fine contents), the results showed that granular heterogeneities, segregated, causes within the granular matrix blockages of fine particles through constrictions formed from the different layers, and which promotes the retention process (filtration) and clogging greatly reducing the erosion of these segregated soils compared to homogeneous soils.The comparison of the results of homogeneous and heterogeneous specimens showed that the accumulated eroded mass depends on the distribution of the initial erosible fine content and the density index. Finally, a new geometric approach is proposed to assess the internal stability of heterogeneous soils based on the criteria proposed in the literature
Les ouvrages hydrauliques tels que les barrages, les levées et les digues en terre, sollicités pour la production d'électricité, pour les activités agricoles ou comme systèmes de protection des biens des populations sont soumis à d'intenses sollicitations internes qu'externes pouvant réduire leurs fonctionnalités et conduire à leur rupture. Aussi, l'explosion de la démographie dans le monde et ses besoins associés en eau et le réchauffement climatique continue de croître la pression sur ces ouvrages, et augmentent les risques d'inondation. Cependant, avec la modernisation accrue des techniques constructives, le secteur de la construction ne devrait normalement plus souffrir des problèmes tels que l'effondrement des ouvrages et l'érosion des remblais.Dans la continuité de recherche des solutions dans la construction, plusieurs études de la suffusion ont été réalisées avec des sols homogènes et par contre très peu ont été entreprises liées aux sols présentant des hétérogénéités. Cette étude expérimentale de l'impact de l'hétérogénéité granulaire sur la suffusion a été menée dans un écoulement d'eau vertical, descendant et l'application de gradients hydrauliques imposés et incrémentés par paliers. Le pas d'accroissement du gradient hydraulique pour chaque palier est de 1 m/m pendant soixante minutes. La sensibilité à la suffusion et ses conséquences ont été analysés avec la masse érodée cumulée, le taux d'érosion, la déformation axiale, la puissance d'érosion, la conductivité hydraulique (locale et globale) et la granulométrie après suffusion.Dans cette étude trois catégories d'hétérogénéités (T1, T2 et T3) sont élaborées avec deux granulométries du sable d'Hostun (HN34, fines et HN1/2,5, grossières). Après la caractérisation des éprouvettes T1 (bicouche, deux couches de teneurs en fines différentes et de même indice de densité), les résultats ont montré que les structures granulaires hétérogènes de faible teneur en fines érodables et de faible porosité, produisent d'importante puissance d'érosion interne et occasionnent l'érosion de la structure (détachement et la migration des fines). Aussi, le taux d'érosion reste élevé comparativement aux configurations homogènes de référence. Les éprouvettes hétérogènes T1 avec une teneur en fines importante sont plus enclins à la suffusion avec de faibles puissances d'érosion. Pour le T2 (bicouche, deux couches de même teneur en fines et d'indices de densité différents), les résultats ont permis de révéler que lorsque la fraction de fines initiale et érodable dans la structure granulaire est inférieur à un seuil (Fcth = 35 %, dans notre cas d'étude), les éprouvettes hétérogènes sont moins érodables par rapport aux éprouvettes homogènes. Toutefois, quand la teneur en fines érodables avoisine ou est au-delà du seuil, avec une conductivité qui a une chute importante, l'érodabilité de l'éprouvette hétérogène est plus importante par rapport aux éprouvettes homogènes de référence. En ce qui concerne le T3 (ségrégation contrôlée avec 4 couches de même indice de densité et de teneurs en fines différentes), les résultats ont montré que l'hétérogénéité granulaire, ségrégée, provoque au sein de la matrice granulaire des blocages de fines particules à travers les constrictions formées des différentes couches, et qui favorise le processus de rétention (filtration) et de colmatage réduisant fortement l'érodabilité de ces sols ségrégés comparativement aux sols homogènes.La confrontation des résultats des éprouvettes homogènes et hétérogènes, a montré que la masse érodée cumulée dépend de la répartition de la teneur en fines initiales érodables et de l'indice de densité. Enfin, une nouvelle approche géométrique est proposée pour évaluer la stabilité interne des sols hétérogènes basée sur les critères proposés dans la littérature

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Géotechnique
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04742158 , version 1 (17-10-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04742158 , version 1

Citer

Ouaga Jean Bruce Nataniel Gboga. Impacts d'hétérogénéités granulaires sur l'érosion interne par suffusion de sols constitutifs d'ouvrages hydrauliques. Géotechnique. Université Gustave Eiffel; Institut National Polytechnique Félix Houphouët-Boigny (Yamoussoukro, Côte d'Ivoire), 2023. Français. ⟨NNT : 2023UEFL2071⟩. ⟨tel-04742158⟩

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