Mechanical behavior of granular soils and internal stability criteria : application to internal erosion
Comportement mécanique des sols granulaires et critères de stabilité : application à l’érosion interne
Résumé
The objective of this thesis is to understand the phenomenon of suffusion (internal erosion) in its process and its effects on the mechanical behavior of loose soil by establishing a direct or indirect relationship between the internal stability of these materials and failure criterion. Numerical modeling and experimental tests analyzed the internal erosion in terms of the suffusion. The main tests used are : - Water flows through a granular material in a column. - Undrained shear triaxial tests. For numerical modeling, PFC3D was used for simulations of triaxial tests and the treatment of solid fluid coupling was possible through a CFD type of option (Coupling Fluid Dynamics). This DEM code has allowed the development of a new method of generating granular sample from its grading curve and its target porosity. The evolutions of porosity, grading curves and the state of internal stability before and after discharge were identified as indicator of suffusion. Kenney & Lau and Kezdi stability criteria were used to assess the internal stability of samples. The consequences of suffusion were expressed by: A reduction of the internal friction angle in the case of an internal suffusion; an increase of the friction angle in the case of an external suffusion. Comparisons of experimental and numerical results for both flows and triaxial tests have shown good agreements. Finally, a proposal of a new criterion of internal stability is established, it is deducted from the analysis of the relationship between the mechanical behavior and internal stability, including the material contractance.
L’objectif de cette thèse est de comprendre le phénomène de suffusion (érosion interne) dans ses processus et ses conséquences sur le comportement mécanique des sols à faible cohésion par l’établissement d’une relation directe ou indirecte entre la stabilité interne de ces matériaux et leur critère de rupture. L’érosion interne vue essentiellement sous l’angle de la suffusion a été analysée par des modélisations numériques et des essais expérimentaux. Les principaux essais utilisés sont : - Ecoulements d’eau à travers un matériau granulaire dans une colonne. - Essais de cisaillement triaxial non drainés. Pour la modélisation numérique, PFC3D a été utilisé pour les simulations d’essais triaxiaux et la prise en charge du couplage fluide solide a été possible grâce à une option de type CFD (Coupling Fluid Dynamique). Ce code DEM a permis le développement d’une nouvelle méthode de génération d’échantillon granulaire à partir de sa courbe granulométrique et de sa porosité cibles. L’évolution des porosités, celle des courbes granulométriques et de l’état de stabilité interne avant et après écoulement ont été identifiées comme indicateur du niveau de suffusion. Les critères de stabilité de Kenney & Lau et de Kezdi ont permis d’apprécier la stabilité interne des échantillons. Les conséquences de la suffusion se sont manifestées par : Une diminution de l’angle de frottement interne dans le cas d’une suffusion interne; une augmentation de l’angle de frottement dans le cas d’une suffusion externe. Les comparaisons des résultats expérimentaux et numériques tant pour les écoulements que pour les essais triaxiaux ont présenté de bonnes concordances. Enfin, une proposition d’un nouveau critère de stabilité interne est établie, elle est déduite de l’analyse des relations entre le comportement mécanique et la stabilité interne, notamment la contractance du matériau.
Origine : Version validée par le jury (STAR)