Experimental study of the erosion of homogeneous and heterogeneous soils

AL’érosion interne est l’une des principales causes d'instabilité des ouvrages de retenue hydrauliques tels que les digues, les levées et les barrages. Cette pathologie peut mener à la ruine de l’ouvrage avec des pertes humaines et d’importants dégâts matériels. Ce travail de thèse est consacré à la caractérisation de la suffusion dans les sols homogènes et hétérogènes, et participe aux études menées dans le cadre du projet national ERINOH (ERosion INterne des Ouvrages Hydrauliques). Les essais menés sur l’EFA ont été effectués sur des échantillons homogènes constitués de sables et de fines (Kaolinite, Illite ou Silt) reconstitués au laboratoire. Les résultats ont montré l’importance du type et du pourcentage des fines sur la résistance à l’érosion. Par la suite, les résultats de ces essais ont été comparés aux résultats obtenus avec les mêmes matériaux réalisés à l’IFFSTAR (Paris) avec le dispositif d’érosion de trou HET. Les résultats des classifications selon les deux dispositifs placent chaque matériau testé dans des catégories similaires. Les deux approches expérimentales (EFA et HET) peuvent donc être complémentaires pour la classification des sols vis-à-vis de l’érosion interne. L’utilisation de l’EFA se révèle être plus appropriée pour des sols à faible proportion de fines qui ne peuvent pas être testés au HET. Les essais réalisés en colonne ont été effectués sur deux types de matériaux : des sols homogènes et des sols hétérogènes. Les essais sur sols homogènes ont été menés sur des matériaux constitués de sables et de fines (Argiles et Limon) à différentes proportions. Les essais ont montré également l’influence du type et du pourcentage de fines sur l’initiation et la cinétique de l’érosion. Quant aux essais sur sols hétérogènes, ils sont répartis en trois catégories : les essais sur sol bi-couches, les essais sur sol ségrégé et les essais sur sol naturel. Les essais sur sol bi-couhes ont servi à montrer l’influence sur la suffusion d’une hétérogénéité géométrique créée par une discontinuité granulométrique sur l’érosion. Ces essais ont montré aussi qu’un sol ségrégé pouvait dans certaines conditions être légèrement plus résistant à l’érosion. Dans ces essais, l’étude de l’évolution de la perméabilité en cours d’essai et l'analyse granulométrique après essai montrent une redistribution granulaire au sein de l’échantillon, qui peut mener à une meilleure résistance à la suffusion. Les essais sur le sol naturel (graves du Rhin) ont montré que ce dernier présente une résistance à la suffusion sous les sollicitations hydrauliques, en raison de la propriété d’auto-filtration. Les mesures de pressions le long de l’échantillon ont permis de mettre en évidence la variation des gradients hydrauliques locaux, paramètres indirects de redistribution de fines dans l’échantillon avec un colmatage potentiel.AInternal erosion is one of main causes of instabilities of hydraulic retaining structures such as dykes, levees and dams. This problem can lead to the collapse of the structure with considerable material damage and sometimes human losses. This study is devoted to characterisation of suffusion in homogeneous and heterogeneous soil. It also participates to other studies performed in the framework of the the national project ERINOH (INternal ERosion in Hydraulic Structures). Tests using the device EFA (Erosion Function Apparatus) were performed on homogeneous samples made of sand and fines (Kaolinite, Illite ou Silt) prepared in the laboratory. The results showed the importance of the type and the percentage of fines on the erosion resistance. Thereafter, these results were compared to other results obtained from similar samples and performed at IFFSTAR (Paris) using HET (Hole Erosion Test) device. This comparison showed important differences on estimating the hydraulic shear stress. Nevertheless, classification results for both devices place tested samples in similar categories. These two devices (EFA and HET) can be complementary in soil classification against internal erosion. The EFA showed that it can perform tests on samples containing lower percentage of fines which cannot be tested on the HET device. Tests on erosion columns were performed on two different kinds of soils : homogeneous et heterogeneous soils. Homogeneous soils were made of sand and fines (clays and Silt) at different fines contents in the whole composition. The results showed the importance of the type and the percentage of fines on the initiation and evolusion of the suffusion. Tests performed on heterogeneous soils were splitted into three different categories : Two-layers sample tests, segregated sample tests and tests carried out with natural soils. Test using two-layers sample showed the influence of a geometrical heterogeneity created by granulometric discontinuity on suffusion. Segregation tests showed that under fixed conditions segregated sample can be slightly more resistant against internal erosion. The observation of permeability and post-test grain size analysis showed redistribution of soil particles that can lead to better resistance against suffusion. Test performed on natural soil (Rhine gravels) showed substancial resistance against suffusion under hydraulic load due to auto-filtration properties. Pressure measurments along the sample showed the variation of local hydraulic gradients, indirect parameters of fines redistribution in the sample with partial clogging