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5es Rencontres Géosynthétiques Francophones 2003 / 2004 Rétention et colmatage

5es Rencontres Géosynthétiques Francophones 2003 / 2004 Rétention et colmatage des géotextiles Y.-H. Faure - Lirigm, Université Joseph Fourier - Grenoble - France J.-J. Fry - EDF, Centre d’Ingénierie Hydraulique – Chambéry – France Résumé La rétention du sol par des géotextiles et le risque de colmatage induit sont analysés au travers des récents travaux présentés au Congrès de Nice (Septembre 2002). Les principaux résultats publiés sont resitués par rapport aux connaissances acquises auparavant dans les domaines liés aux mécanismes de filtration et qui intègrent à la fois les notions de porométrie, de perméabilité et l’interaction sol –géotextile sous sollicitations hydrauliques. Mots clés : porométrie, perméabilité, filtration, rétention, colmatage, géotextile. Abstract (Retention and clogging of geotextiles) The soil retention by geotextiles and the induced risk of clogging are analysed through the recent work presented at the Geosynthetics Conference in Nice (September 2002). The main results are compared to the background knowledge in the fields concerning the mechanisms of filtration and which integrate at the same time the concepts of porometry, of permeability and the soil geotextile interaction under hydraulic actions. Key-Words : porometry, permeability, filtration, retention, clogging, geotextile. 1. Généralités La problématique “ Rétention et Colmatage des Géotextiles ” abordée concerne : - les applications en tranchées drainantes, protection de berge, tapis drainant, enrobage de drains, etc... où la fonction “ Filtration ” est impliquée, et - les applications dans les structures d’assises ferroviaires, les pistes, les routes et aérodromes où c’est la fonction “ Séparation ” qui est concernée: Filtration : maintien du sol (ou d’autres particules) soumis à des forces hydrodynamiques tout en assurant l’écoulement du fluide [ISO 10318, 1990]. Séparation : action d’empêcher le mélange de deux sols adjacents de nature différente [ISO 10318, 1990]. La capacité de rétention du géotextile sera donc son aptitude à assurer le maintien du sol en place (adjacent) malgré les sollicitations extérieures (hydrauliques, mécaniques). En cas de non-rétention, une érosion interne, plus ou moins intense se produira pouvant entraîner : - des effondrements dans le massif de sol, - le colmatage du dispositif de collecte des eaux à l’aval du filtre, - la pollution d’un matériau grenu par des fines qui réduisent les performance mécaniques du sol grossier (fonction séparation). Le colmatage du géotextile se traduit par une augmentation excessive de la pression interstitielle à 41 5es Rencontres Géosynthétiques Francophones 2003 / 2004 l’amont du filtre. Celle-ci peut provoquer des instabilités par réduction de la résistance au cisaillement du sol (pente, berges, remblai, chaussée, etc.) 1.1. Mécanismes de rétention et de colmatage Différents mécanisme de filtration son susceptibles de se produire en fonction du sol (granulométrie, consistance, ..), du géotextile (porométrie, perméabilité, ...) et des conditions de filtration (gradient, compression, ...). Le mécanisme de rétention idéalement reconnu consiste à retenir les éléments du sol les plus grossiers ou représentatif du squelette granulaire [Giroud, 1996] soit par blocage géométrique entres les fibres, soit par effet voûte (pontage ou “ bridging ”). Ces éléments vont pouvoir retenir des particules plus petites, qui à leur tour retiendront des éléments plus fins, etc.... La structure ainsi formée au voisinage du géotextile aura une granulométrie de transition, stable et plus perméable que le sol de base. Pendant la période initiale de filtration, les fines de la zone filtrante seront entraînées par l’écoulement, il est donc normal d’avoir une apparition de fines après mise en place. Dysfonctionnement du filtre : La rétention des éléments fins du sol mis en mouvement par l’écoulement peut se produire à l’amont ou à l’intérieur du géotextile (figure 1) : - si les fines sont retenues à l’amont, il y formation d’une couche qui peut être très peu perméable : il y a colmatage de surface (“ blinding ”) ; - si elles sont retenues en trop grande quantité dans le filtre, il y a risque de colmatage interne (“ clogging ”) ; - si le passage de particule perdure, on parlera d’érosion interne par suffusion (lessivage du sol, “ suffosion ” en anglais) et dans les cas extrêmes de renard (“ piping ”). géotextile non tissé couche de sol à faible perméabilité Figure 1 : colmatage de surface (“ blinding ”) et colmatage interne (“ clogging ”) 1.2. Caractéristiques régissant l’interaction sol - géotextile 1.2.1 Le sol Les caractéristiques “ basiques ” (essentielles) à considérer sont la granulométrie (et ses variations) et la perméabilité. Ont aussi un rôle très important la cohésion et la dispersivité de la fraction fine. Il est actuellement reconnu que le comportement du sol sous circulation d’eau, à savoir sa stabilité interne ou non, doit être analysé. Les critères d’évaluation reconnus sont principalement le critère de Kenney et Law, [Kenney et Law, 1985] et le critère de concavité de la courbe granulométrique “ concave vers le haut ” [Lafleur et al., 1993], ou de coefficient de courbure >7 [Bathia, 1995]. 1.2.2 Le géotextile Pour les géotextiles, les caractéristiques de base traditionnellement considérées et mesurées par des essais standards sont : - l’ouverture caractéristique (ou ouverture de filtration Of) : elle correspond à la taille des plus grosses particules de sol susceptibles de traverser le géotextile ; Of est déterminé par un essai de 42 5es Rencontres Géosynthétiques Francophones 2003 / 2004 tamisage [NF EN ISO 12956, 1999] ; - la perméabilité, identifiée par VH50 : vitesse de l’écoulement au travers du géotextile pour une différence de charge de 50 mm [NF EN ISO 11058, 1999]. Ces caractéristiques ne sont que des valeurs “ index ”, utilisées pour l’application des critères de filtre. Si elles sont suffisantes pour dimensionner des filtres dans des applications “ routinières ” [Palmeira et Fannin, 2002], elles sont insuffisantes pour décrire la complexité des phénomènes qui interviennent dans le processus de filtration / séparation. Une meilleure compréhension (prévision) de l’interaction sol – géotextile et de son évolution nécessite : - une détermination plus fine de la porométrie, d’un point de vue théorique et expérimental, - des essais de comportement fiables pour reproduire des conditions de filtration similaires à celles rencontrées sur site, - la prise en compte de phénomènes physico-chimiques. 2. Porométrie et Ouverture de filtration 2.1. Distribution des pores La porométrie est la mesure de la dimension et de la répartition des vides qui existent entre les parties solides d’un matériau. Dan le cas des milieux fibreux, les vides forment un ensemble à trois dimensions dans lequel il est difficile d’identifier individuellement les pores. Pour les applications en filtration, les “ pores ” seront caractérisés par les cheminements possibles d’une particule, assimilés à une sphère (en 3D) ou un disque en (2D). La notion de “ constriction ” est utilisée pour caractériser un rétrécissement, délimité par les fibres, qui empêche le transit d’une particule, de diamètre donné, d’une cavité porale où elle circule librement à une autre. 2.1.1 Approche théorique Des modèles de porométrie transversale, observée sur coupe perpendiculaire au plan du géotextile, ou longitudinales, coupe dans le plan du géotextile, ont été développés par le passé par Masounave et al. (1980), Gourc (1982) et Faure et al. (1990) pour les non tissés. Ces modèles donnent des courbes de distribution des pores des non tissés (figure 2 : cercle inscrit entre les fibres et figure 3 : distance entre fibres). 2.1.2 Mesure de la distribution des pores par analyse d’image Le développement des systèmes d’analyse d’images a rendu aisées les mesures de distances entre fibres (porométrie transversale, [Masounave, et al., 1980]) ou de cercles inscrits entre les fibres (porométrie longitudinale [Lombard, 1985], [Millot, 1986], [Gendrin, 1991]). Des mesures récentes [Urashima et al., 2002], [Palmeira, 2002], [Dembicki, 2002], [Wang, 2002] confirment la validité de ces méthodes théoriques (figures 2, 3 et 4).L’inconvénient des méthodes par analyse d’image sur coupe de géotextile est de ne pas intégrer la troisième dimension et d’être influencées par l’épaisseur de la lame mince surtout en porométrie longitudinale. 43 5es Rencontres Géosynthétiques Francophones 2003 / 2004 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 100 1000 d (microns) modèle théorique mesures sur lames minces % constrictions < d Figure 2 : Modèle des polyèdres poissonniens [Faure, Gourc, Gendrin, 1990] Figure 3 : Modèle de porométrie transversale de Gourc (1982) validé par Urashima et al. (2002) Diamètre théorique du pore moyen (mm) Dimensions mesurées du pore moyen (mm) Figure 4 : Modèle théorique de Masounave (1980) : estimation de la distance moyenne entre fibres (porométrie transversale) validée par mesure sur coupe de non tissés [Palmeira, 2002] 44 5es Rencontres Géosynthétiques Francophones 2003 / 2004 2.1.3 Mesure de la porométrie par “ écoulement capillaire ” (“ Bubble Point method ”) Principe de la méthode : on réalise une différence de pression d’air de part et d’autre d’un échantillon de géotextile initialement saturé par un fluide mouillant. En augmentant la différence de pression, des pores de plus en plus petits sont vidés et traversés par l’écoulement d’air. Pour une différence de pression donnée “ P ”, le fluide mouillant est maintenu à l’intérieur des pores de diamètre inférieurs à “ d ” tel que : θ τ π uploads/Geographie/ 14-recherche-colmatage-geotxtile-pdf.pdf