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Justification de l’efficacité des filtres granulaires : développement d’un critère de filtre affiné


Christophe PICAULT (CNR), Feda SEBLANY, Eric VINCENS (Univ. de Lyon - Ecole Centrale de Lyon LTDS)

Éditeur : Comité Français des Barrages et Réservoirs - CFBR - ISBN 979-10-96371-09-9

Colloque : Justification des barrages : état de l’art et perspectives - Chambéry, France
Année d’édition 2019

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Title : Justification of the effectiveness of granular filters : development of a refined criterion

Résumé
L’efficacité des filtres granulaires dans les ouvrages en remblais constitue un élément déterminant dans la justification de leur stabilité. Dans le cadre de la justification à l’érosion interne, le transport des particules fines est conditionné notamment par un critère hydraulique selon lequel l’écoulement doit être suffisant pour mettre les particules en mouvement, et un critère géométrique où le réseau poral doit avoir des dimensions permettant le passage des particules. En particulier, lorsque des évènements rares ou extrêmes engendrent des gradients internes importants (le critère hydraulique peut alors être atteint), la stabilité de l’ouvrage vis-à-vis de l’érosion interne sera très liée au critère géométrique, et donc notamment à l’efficacité du filtre, selon que celui-ci assure une rétention parfaite, partielle ou nulle. Les dimensions du réseau poral du massif filtrant dépendent principalement de la granulométrie du matériau considéré. Ainsi, c’est à partir des granulométries du matériau à retenir et du filtre qu’un critère de filtration a été établi par Terzaghi. Ce critère a connu des ajustements, notamment par une caractérisation plus fine en fonction du coefficient d’uniformité ou de la nature du matériau à filtrer. Néanmoins, ces critères n’intègrent pas deux paramètres importants : l’état de compacité du filtre granulaire et la géométrie des grains qui le constituent (grains sphériques ou allongés). Un critère de filtre basé sur la taille des pores et des constrictions du filtre a l’avantage de correspondre directement à la réalité physique du processus de filtration et donc d’intégrer ces paramètres de compacité du massif filtrant et de géométrie des grains. Un travail collaboratif entre l’Ecole Centrale de Lyon, l’Université Bauhaus-Weimar et l’Université de Queensland a permis d’établir un nouveau critère de filtre, basé sur la détermination de la taille des pores et des constrictions. Une expression de ce critère prenant en compte la densité relative du filtre et les courbes granulométriques du sol à protéger et du filtre est proposée pour une exploitation plus aisée par les ingénieurs. Une seconde phase d’étude en cours doit permettre d’intégrer la géométrie des particules pour affiner encore le critère.

Abstract
The effectiveness of granular filters in earth structures is a key factor to ensure their stability and safety against internal erosion. In this context, the transport of fine particles is governed by a hydraulic criterion according to which the flow must be sufficient to move fine particles and a geometrical criterion where the poral network must have dimensions that permit the passage of the particles. Under extreme conditions, important hydraulic gradients can occur (the hydraulic criterion can then be reached). In this case, the stability of the structure with respect to internal erosion will be mainly related to the geometrical criterion, and thus in particular to the effectiveness of the filter, depending on whether it ensures perfect, partial or no retention. The dimensions of the void network within the filter depend mainly on its grading. Thus, the original filter criterion of Terzaghi has been designed on the basis of the particle size distribution (PSD) of both filter and base soil materials. Then, this criterion has been further developed and extended for different categories of base soils. Nevertheless, these particle-based criteria do not include two important parameters : the degree of compaction of the granular filter and the shape of the constitutive particles (spherical or elongated particles). A filter criterion based on the size of pore and constriction within the filter has the advantage of being more related to the underlying physical process of filtration and thus, taking into account both filter density and particle shape. A Collaborative study between Ecole Centrale de Lyon, Bauhaus-Weimar University and University of Queensland has allowed the development of a new filter criterion based on the determination of pore and constriction sizes. An analytical formulation of this criterion taking into account the relative density of the filter and the particle size distribution of the base soil and the filter, is then proposed for a quick assessment of internal erosion in engineering applications. In future researches, we aim to improve this constriction-based criterion to incorporate the shape of the particles.

Citation
PICAULT, SEBLANY, VINCENS. Justification de l’efficacité des filtres granulaires : développement d’un critère de filtre affiné. In Colloque Justification des barrages : Etat de l’art et Perspectives. Chambéry : CFBR - 27,28 novembre 2019. ISBN 979-10-96371-09-9. doi : 10.24346/cfbr_colloque2019_c24


Voir aussi : Colloque Justification des barrages : état de l’art et perspectives

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