Numerical analyses are presented in this thesis to address potential stability problems that may occur during gradual raisings and under seismic loading conditions of Aitik tailings dam in northern Sweden. The dam is mainly raised using upstream construction method. It is planned to raise the dam gradually in several stages. Two dam parts were studied. The first dam part is a straight dam portion, and the second dam part is a corner. The main concerns associated with future raisings of the straight dam part were: (i) the stability of the dam could be affected by an increase in excess pore pressures during sequential raisings, (ii) how to gradually strengthen the dam by using rockfill berms as supports in such a way that required slope stability can be achieved with a minimum volume of rockfill berms, and (iii) if the dam is subjected to seismic loading, whether or not an increase in excess pore pressures could lead to extensive liquefaction which may cause a failure. The problems related to the dam corner were that tension zones and/or low compression zones could develop because of the horizontal pressure of the stored tailings on the inside of the curvature of the dam corner.Numerical analyses were conducted on both the dam parts using finite element method. Two dimensional (2D) plane strain finite element model was utilized to analyse the straight dam. The dam corner was analysed with both the three dimensional (3D) finite element model, and the 2D axisymmetric finite element model. Coupled deformation and consolidation analyses, and slope stability analyses were performed on both the dam parts to simulate gradual raisings, and to compute safety factors. In addition to this, dynamic analyses were carried out on the straight dam part to evaluate the potential for liquefaction, and seismic stability of the dam. The seismic behaviour of the dam was analysed for two cases: (i) a normal case (earthquake of 3.6 Swedish local magnitude), and (ii) an extreme case (earthquake of 5.8 moment magnitude).The results of the straight dam part, with only previously existing rockfill berms, indicate that stability of the dam was reduced due to an increase in excess pore pressures during raisings. Rockfill berms were utilized as supports to raise the dam with enough safety. An optimization technique was utilized to minimize the volume of rockfill berms. This technique could result in significant saving of cost of rockfill berms.The results of the dam corner show that tension zones and/or low compression zones were located on the surface of the dam corner, mainly above the phreatic level. It is interpreted that there is no risk of internal erosion through the embankments because no seepage path occurs above the phreatic level, and a filter zone exists along the slope of the dam. It is suggested to gradually strengthen the dam corner with rockfill berms. The results of the 2D axisymmetric analyses of the dam corner were in a fairly good agreement with those of the 3D analyses. This implies that the 2D axisymmetric analyses are valid for this dam corner. This is an important finding as 2D axisymmetric analyses require much less computational time compared to 3D analyses.The results of the dynamic analyses performed on the straight dam (including additional rockfill berms) suggest that, for the extreme case, liquefaction could occur in a limited zone that is located below the surface near the embankments. For both the normal and the extreme case, (i) seismically induced displacements seem to be tolerable, and (ii) the post seismic stability of the dam is considered to be sufficient.The findings of this study have been practically applied to the Aitik tailings dam. In general, the modelling procedure and the optimization technique to minimize volume of rockfill berms, presented in this study, could be applied to other tailings dams. / Godkänd; 2013; 20130513 (muhauc); Tillkännagivande disputation 2013-05-20 Nedanstående person kommer att disputera för avläggande av teknologie doktorsexamen. Namn: Muhammad Auchar Zardari Ämne: Geoteknik/Soil Mechanics and Foundation Engineering Avhandling: Numerical Analyses of Stability of a Gradually Raised Tailings Dam Opponent: Professor Daichao Sheng, School of Engineering, The University of Newcastle, New South Wales, Australia Ordförande: Professor Sven Knutsson, Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser, Luleå tekniska universitet Tid: Torsdag den 13 juni 2013, kl 10.00 Plats: F1031, Luleå tekniska universitet

Les géo-structures telles que les barrages et les digues sont soumises à des écoulements hydrauliques variant dans le temps et dans l'espace. L'eau qui traverse ces milieux poreux peut entraîner le détachement et le transport de certaines particules des sols constituant les structures et leurs fondations. Ce problème est généralement appelé "érosion interne". Le terme suffusion, un type d'érosion interne, se réfère au détachement et au transport de particules les plus fines à traversune matrice de sol poreuse plus grossière en raison d'un écoulement hydraulique. L'évolution temporelle de la suffusion peut modifier les propriétés hydrauliques et mécaniques des sols et peut entraîner des changements importants dans le comportement de telles structures pouvant aller jusqu’à leur effondrement. Ce travail de thèse tente de contribuer à la conception et à la durabilité des ouvrages en ingénierie géotechnique et hydraulique en mettant un accent particulier sur les barrages, les levées et les digues. Il a été consacré à développer un modèle numérique de suffusion en introduisant d’une part le couplage des phénomènes hydrauliques et mécaniques et d’autre part le couplage des phénomènes d'érosion et de filtration. / Geo-structures such as dams and levees or dikes are subjected to seepage varying in time and space. The water flowing through these porous media can lead to the detachment and transport of part of the soil particles within the structures or their foundations. This problem is usually called internal erosion. The term suffusion, one type of internal erosion, refers to the detachment and transport of finer particles through a coarser porous soil matrix due to seepage flow. Suffusion can modify with time the hydraulic and mechanical properties of the soils and may trigger significant damage on such structures and lead eventually to their collapse. This research attempts to contribute to the design and sustainability of geotechnical and hydraulic engineering structures, with a particular focus on embankment dams, levees, and dikes. It aims to develop a numerical model of suffusion by introducing, on the one hand, the coupling of the hydraulic and mechanical phenomena and, on the other hand, the coupling of erosion and filtration.

Les discontinuités granulaires dans les ouvrages hydrauliques ou dans leur fondation constituent une source majeure d’instabilités à l’origine des phénomènes d’érosion. L’érosion interne est ainsi définie comme une migration de particules engendrée par un écoulement interne parasite, dans un sol ou dans un ouvrage en terre. A long terme, les conséquences de cette migration peut affecter la stabilité des ouvrages et peut même conduire à leur rupture. La sécurité des ouvrages en terre dépend principalement de la performance de leurs filtres, c’est-à-dire de la capacité du filtre, mis en interne en phase de conception ou en externe en phase de réparation, à retenir les particules fines. L’espace poral d’un filtre granulaire est divisé en volumes élémentaires, appelés pores, reliés entre eux par des étranglements plus étroits appelés constrictions. Des recherches récentes ont montré que la distribution des tailles de constriction (CSD) joue un rôle fondamental dans la compréhension des propriétés de filtration des sols granulaires. Ce travail vise à étudier la CSD et son impact sur les mécanismes de filtration dans les matériaux granulaires. Pour atteindre cet objectif, deux approches ont été suivies dans ce travail: l’une numérique et l’autre analytique. Dans le cas des matériaux de forme sphérique, la méthode des éléments discrets (DEM) permet de calculer la CSD en s’appuyant sur une partition de Delaunay en tétraèdres. Cependant, une CSD plus réaliste peut être obtenue par association des tétraèdres voisins selon un critère basé sur le chevauchement de leurs sphères de vide inscrites. A partir de cette considération et en se basant sur les modèles analytiques existants, un modèle révisé est proposé pour obtenir rapidement la CSD. Les échantillons DEM générés sont ensuite utilisés pour examiner le potentiel de transport des particules fines à travers un filtre d’épaisseur donnée. Les résultats des essais de filtration numériques menés ont montré une corrélation entre la CSD et la possibilité de migration des particules fines. En conséquence, une formule analytique a été proposée pour calculer le diamètre d’ouverture de contrôle des filtres granulaires. Cette taille caractéristique qui prend en compte la granulométrie et la densité du matériau granulaire, a été introduite dans un critère de filtre construit sur la base de la CSD, en vue de le représenter de manière plus physique. Le critère proposé reproduit correctement des résultats expérimentaux rapportés dans la littérature. / The granular discontinuities in hydraulic structures or in their foundation constitute a major source of instabilities causing erosion phenomena, process by which finer soil particles are transported through the voids between coarser particles, under seepage flow. In the long term, the microstructure of the soil will change and the excessive migration become prejudicial to the stability of the structures and may also induce their failure. The safety of earth structures is mainly dependent on the reliability of their filter performance, i.e. the ability of the filter placed inside the structure during construction or outside during repair, to retain fine particles. Indeed, the void space of a granular filter is divided into larger volumes, called pores, connected together by throats or constrictions. Recent researches showed that the distribution of throats (Constriction Size Distribution or CSD) between pores plays a key role to understand the filtration properties of a granular soil. This research is devoted to investigate the constriction sizes and their impact on the mechanisms of filtration in granular spherical materials. To achieve this objective, two approaches were followed in this work: numerical and analytical approaches. In the case of spherical materials, the Discrete Element Method (DEM) can help to compute the CSD using the Delaunay tessellation method. However, a more realistic CSD can be obtained by merging adjacent Delaunay cells based on the concept of the overlap of their maximal inscribed void spheres. Following this consideration and by extending the previously developed analytical models of CSD, a revised model is proposed to quickly obtain the CSD. The DEM data generated are then used to explore the potential of transport of fine particles through a filter of a given thickness by means of numerical filtration tests. A correlation has been found between the CSD and the possibility of migration of fine grains. Accordingly, an analytical formula has been proposed to calculate the controlling constriction size of a filter material. This characteristic size, which takes into account the particle size distribution (PSD) and the density of the material, has been used to reformulate a constriction-based criterion in a more physical manner. The proposed filter design criterion is verified based on experimental data from past studies and a good agreement has been found.

Ce travail de thèse s’est attaché à investiguer, d’une part, le mécanisme d’érosion interne par suffusion dans les ouvrages hydrauliques en terre, et d’autre part, les conséquences qu’il pourrait avoir sur le comportement mécanique du sol, l’objectif principal étant d’améliorer notre compréhension de ce processus et du comportement des sols érodés. La démarche adoptée est principalement expérimentale, réalisée à différentes échelles : du macroscopique, à l’échelle du matériau, au microscopique, à l’échelle des grains constitutifs. A l’échelle macroscopique, des essais de suffusion ont été réalisés sur des échantillons de sol à l’aide d’un nouveau dispositif d’essai d’érosion, appelé perméamètre de suffusion, développé dans le cadre de cette thèse. Après érosion dans le perméamètre, les échantillons érodés sont transférés par une procédure de congélation / décongélation dans un dispositif d’essai triaxial afin d’étudier leur comportement sous chargement mécanique. Les résultats obtenus à cette échelle ont permis de donner un aperçu général du mécanisme de suffusion et de mettre en évidence son impact sur les propriétés de résistance au cisaillement du sol. A l’échelle microscopique, une analyse fine a pu être menée en réalisant un essai de suffusion des mesures in-operando de tomographie à rayons X et de la visualisation locale par techniques optiques sur un sol artificiel. La caractérisation du sol à cette échelle microstructurale a permis de mieux comprendre le processus de suffusion, notamment en mettant en évidence l’apparition et le développement de fortes hétérogénéités qui semblent avoir une influence importante sur la réponse mécanique des sols érodés / This thesis work has investigated, on the one hand, the mechanism of internal erosion by suffusion in earthen hydraulic structures, and, on the other hand, the consequences suffusion can cause on the mechanical behavior of soils, the main objective being to improve our understanding of both the suffusion process and the behavior of eroded soils. The approach adopted was mainly experimental, by a multi-scale scope: from macroscopic, at the material scale, to microscopic, at the grain scale. At the macroscopic scale, suffusion experiments were performed on gap-graded cohesionless soil samples using a newly developed testing device, called the suffusion permeameter. Then, the eroded samples are transferred by a freeze/thaw procedure to a triaxial device to study their behavior under mechanical loading. The achieved results provide a general overview of the suffusion mechanism at the sample scale and highlight its impact on soil shear resistance properties. At the microscopic scale, the suffusion mechanism has been studied by performing a suffusion test with in-operando x-ray tomography and using local visualization based on optical techniques in an artificial soil. Subsequent grain-scale analysis has provided a deeper understanding of suffusion process through the characterization of the eroded soil microstructure, particularly highlighting the occurrence and development of strong heterogeneities, which appear to play a key role in the macroscopic mechanical behavior of eroded soils

Embankment dams are widely used as water-retaining structures through the world. Two principal structural failure modes of embankment dams are internal erosion and slope instability. The objective of this thesis is to investigate the feasibility of applying probabilistic methods in embankment dam assessment. Compared to deterministic methods, probabilistic methods considers the variability in material properties and the results are more assessable. Meanwhile, the derived sensitivity factors of the variables can be used to find the most influential one.Through a literature review, it is found that the difficulties in defining a limit state function for the full process of internal erosion for embankment dams hold back the application of reliability-based methods. However, reliability-based methods have been recognized as suitable for slope stability assessment.In this thesis, both deterministic and probabilistic calculations have been performed for a homogenous embankment dam. The deterministic calculation is carried out in Slope/W to first find out the most critical slip surface. The failure probability of this slip surface is estimated by both Monte Carlo simulations in Slope/W and FORM analysis in Comrel. Then, the 34 most critical slip surfaces from Slope/W are chosen to calculate the system reliability with simple bounds and applied integration. The results from the deterministic and probabilistic calculations showed that the studied dam has a higher risk of failure than allowed. In the system reliability calculation, simple bounds gives a wide range, especially the upper bounds. It was found that classification of different slip surfaces into different groups with respect to geometry and material was useful to simplify the calculations. Not much improvement in accuracy of the system probability of failure is found when increasing the numbers (from 1 to 5) of the most critical slip surfaces from each group. Even the combination of 1 slip surface from each group only gives an error of 6.5%. Categorizing slip surfaces before performing a system reliability analysis is a good way for simplification of the calculations. Due to this, the criteria used for categorization of the slip surfaces are of interest. In this work, it was found that the slip geometry in combination with the materials included in the slip surface constitute a possible way forward to do this. / Fyllningsdammar används ofta som dämmande konstruktioner runt om i världen. Två potentiella brottmoder för fyllningsdammar är inre erosion och släntinstabilitet.Syftet med detta examensarbete är att undersöka möjligheten att tillämpa probabilistiska metoder vid utvärdering av fyllningsdammars säkerhet för dessa brottmoder. Jämfört med deterministiska metoder betraktar probabilistiska metoder även variationen i materialegenskaper. Erhållna känslighetsfaktorer för ingående variabler kan även användas för att hitta de som har störst inverkan på det studerade problemet.I litteraturstudien framkom att det är svårt att definiera en gränsfunktion som beskriver inre erosion för fyllnadsdammar, vilket begränsar dess användbarhet med probabilistiska metoder. För analys av släntstabilitet är dock probabilistiska metoder användbara. Både deterministiska och probabilistiska beräkningar av släntstabiliteten för en fyllnadsdamm har genomförts inom ramen för detta arbete. De deterministiska beräkningarna har utförts med programmet Slope/W, där den mest kritiska glidytan först har analyserats. Brottsannolikheten för dammen har beräknats med både Monte Carlo-simulering i Slope/W och FORM-analys i Comrel. En begränsning med att enbart beräkna brottsannolikheten för den mest kritiska glidytan är att brottsannolikheten kan underskattas då inverkan från andra potentiella glidytor inte beaktas. De potentiella glidytorna kan betraktas som ett seriesystem, där glidytorna är delvis korrelerade med varandra. För att studera denna fråga valdes de 34 mest kritiska glidytorna från Slope/W ut för att beräkna systemets tillförlitlighet. Resultaten från de deterministiska och probabilistiska beräkningarna visade att den studerade dammen hade en oacceptabel brottsannolikhet. I beräkningarna av gränserna för systemets brottsannolikhet visade resultaten att brottsannolikheten kan variera stort beroende på korrelationen mellan glidytorna. Genom att klassificera glidytorna i olika grupper med hänsyn till geometri och ingående material kan beräkningarna för systemets brottsannolikhet förenklas. Resultaten visade att noggrannheten i beräkningarna för brottsannolikheten av systemet inte förbättrades i någon större utsträckning när antalet valda glidytor (från 1 till 5) från varje grupp av likartade glidytor inkluderades i beräkningen. Kombinationen av 1 glidyta från varje grupp gav endast ett fel på 6,5% jämfört med om alla 34 glidytorna inkluderades. Kategorisering av glidytor av samma karaktär i olika grupper rekommenderas därför att genomföras innan systemets tillförlitlighet analyseras. I detta arbete framkom att glidytan geometri i kombination med ingående material i glidytan utgör ett lämpligt kriterium för att göra denna indelning.

Embankment dams are widely used as water-retaining structures through the world. Two principal structural failure modes of embankment dams are internal erosion and slope instability. The objective of this thesis is to investigate the feasibility of applying probabilistic methods in embankment dam assessment. Compared to deterministic methods, probabilistic methods considers the variability in material properties and the results are more assessable. Meanwhile, the derived sensitivity factors of the variables can be used to find the most influential one.Through a literature review, it is found that the difficulties in defining a limit state function for the full process of internal erosion for embankment dams hold back the application of reliability-based methods. However, reliability-based methods have been recognized as suitable for slope stability assessment.In this thesis, both deterministic and probabilistic calculations have been performed for a homogenous embankment dam. The deterministic calculation is carried out in Slope/W to first find out the most critical slip surface. The failure probability of this slip surface is estimated by both Monte Carlo simulations in Slope/W and FORM analysis in Comrel. Then, the 34 most critical slip surfaces from Slope/W are chosen to calculate the system reliability with simple bounds and applied integration. The results from the deterministic and probabilistic calculations showed that the studied dam has a higher risk of failure than allowed. In the system reliability calculation, simple bounds gives a wide range, especially the upper bounds. It was found that classification of different slip surfaces into different groups with respect to geometry and material was useful to simplify the calculations. Not much improvement in accuracy of the system probability of failure is found when increasing the numbers (from 1 to 5) of the most critical slip surfaces from each group. Even the combination of 1 slip surface from each group only gives an error of 6.5%. Categorizing slip surfaces before performing a system reliability analysis is a good way for simplification of the calculations. Due to this, the criteria used for categorization of the slip surfaces are of interest. In this work, it was found that the slip geometry in combination with the materials included in the slip surface constitute a possible way forward to do this.

Les matériaux granulaires multiphasiques occupent une place très importante dans notre environnement qui suscitent un grand intérêt de nombreuses communautés scientifiques, notamment celles de la mécanique des sols ou de la géotechnique. Le caractère divisé permet les milieux granulaires multiphasiques d'avoir un comportement mécanique global qui trouve leur origine, leur distribution et interactions entre les phases de composition. Un modèle de couplage hydromécanique est présenté dans ce travail de thèse pour l'application à la modélisation microscopique des couplages hydromécaniques dans les matériaux granulaires saturés. Le modèle numérique est basé sur un couplage de la méthode des éléments discrets (DEM) avec une formulation en volumes finis, à l'échelle des pores (PFV), du problmème de l'écoulement d'un fluide visqueux incompressible. Le solide est modélisé comme un arrangement de particules sphériques avec des interactions de type élasto-plastique aux contacts solide-solide. On considère un écoulement de Stokes incompressible, en supposant que les forces inertielles sont négligeables par rapport aux forces visqueuses. La géométrie des pores et leur connectivité sont définies sur la base d'une triangulation régulière des sphères, qui aboutit à un maillage tétrahédrique. La définition des conductivités hydrauliques à l'échelle des pores est un point clef du modèle, qui se rapproche sur ce point à des modèles de type pore-network. Une importance particulière réside dans les lois d'interactions fluide-solide permettant de déterminer des forces de fluide appliquées sur chacune des particules, tout en assurant un coût de calcul acceptable pour la modélisation en trois dimensions avec plusieurs millieurs des particules. Des mesures de perméabilités sur des assemblages bidisperses de billes de verre sont présentées et comparées aux prédictions du modèle et aux formules empiriques/semi-empiriques dans la littérature, ce qui valide la définition de la conductivité locale et met en évidence le rôle de la distribution granulométrique et la porosité. Une approche numérique pour analyser l'interaction mécanique fluide-solide et les mécanismes d'érosion interne est finalement présentée. / Multiphase granular materials occupy a very important place in our environment that are of great interest to many scientific communities, including those of soil mechanics or geotechnical engineering. The divided nature allows multiphase granular media to have a global mechanical behaviour which originates from all component phases, their distribution and interactions. Acoupled hydromechanical model is presented in this work for the application to microscopic modeling of coupled hydromechanical in saturated granular materials. The numerical model uses a combination of the discrete element method (DEM) with a pore-scale finite volume (PFV) formulation of flow problem of an incompressible viscous fluid. The solid is modeled as an assembly of spherical particles, where contact interactions are governed by elasto-plasticrelations. Stokes flow is considered, assuming that inertial forces are small in comparison with viscous forces. Pore geometry and pore connections are defined locally through regular triangulation of spheres, from which a tetrahedral mesh arises. The definition of pore-scale hydraulic conductivities is a key aspect of this model. In this sense, the model is similar to a pore-network model. The emphasis of this model is, on one hand the microscopic description of the interaction between phases, with the determination of the forces applied on solid particles by the fluid, on the other hand, the model involves affordable computational costs, that allow the simulation of thousands of particles in three dimensional models. Permeability measurements on bidispersed glass beads are reported and compared with model predictions and empirical formulas/semi-empirical in the literature, validating the definition of local conductivities and bringing out the role of particle size distribution and porosity. A numerical approach to analyze the fluid-solid mechanical interaction and mechanisms of internal erosion is finally presented.

La suffusion est un cas particulier d'érosion interne qui apparait dans les ouvrages hydrauliques. Elle se caractérise par le détachement et le transport des particules fines à travers les gros grains sous l'action d'un écoulement hydraulique en laissant derrière un squelette granulaire dont les caractéristiques en termes de densité et d'arrangement géométrique granulaire ont été changées. De telles modifications dans la micro-structure du sol peuvent conduire à des déformations à l'échelle macroscopique et peuvent influencer le comportement mécanique du sol. Ce travail a été consacré à l'étude du mécanisme de suffusion et à son impact sur les propriétés mécaniques des sols non-cohésifs. Pour atteindre cet objectif, deux approches ont été suivies dans ce travail: l'une numérique et l'autre expérimentale. Un modèle numérique discret a été défini pour décrire quantitativement le comportement macroscopique du sol et analyser la micro-structure des assemblages granulaires. Il est basé sur l'utilisation de particules sphériques et la résistance au roulement aux contacts, ainsi que sur une nouvelle méthode de compactage des échantillons pour simuler celle utilisée au laboratoire, et atteindre une large gamme de densités initiales. Le modèle a été validé par comparaison de résultats numériques et de données expérimentales. Ce modèle a d'abord été appliqué sur des assemblages granulaires avec des teneur en fines différentes afin d'étudier le rôle des particules fines pour une micro-structure de sol donnée, sans tenir compte d'un processus d'érosion. Il a été montré qu'il existe un pourcentage de fines, en dessous de la teneur seuil, où des particules fines peuvent commencer à participer au transfert de force, et que, si la suffusion s'initie et mobilise ces particules, ceci pourra affecter le comportement macroscopique du sol. Par la suite, une cinétique simplifiée d'extraction du grain a été proposée pour décrire le processus de suffusion. Elle est basée sur une approche de couplage fluide-solide partielle. L'intérêt de cette procédure d'extraction est que, d'une part, elle tient en compte des critères géométriques et hydrauliques complexes; d'autre part, le modèle induit un coût de calcul raisonnable. Cette procédure a été validée sur la base d'essais expérimentaux de suffusion effectués avec un dispositif nouvellement développé. Les conséquences de cette érosion sur les propriétés mécaniques des sols ont été caractérisées par la réalisation en laboratoire et la simulation d'essais de compression triaxiale. Le développement de la suffusion et ses conséquences sur le comportement macroscopique sont discutés en terme de densité et granulométrie initiale du sol, de chargement hydraulique et du type de particules érodées (actives ou inactive vis-à-vis du transfert de force). / Suffusion is a particular case of internal erosion taking place in hydraulic earth structures. It is characterized by the detachment and migration of fine particles by interstitial flow leaving behind the granular skeleton. Such modifications in the soil microstructure may lead to deformations at the macroscopic scale and may influence the mechanical behavior of the soil. This research was devoted to investigate the suffusion mechanism and its impact on the mechanical properties of cohesionless soils. To achieve this objective, two approaches were followed in this work: numerical and experimental approaches. A discrete numerical model was defined to describe quantitatively the soil macroscopic behavior and to analyze the microstructure of granular assemblies. It is based on the use of spherical particles and contact rolling resistance, as well as a new method of compaction to mimic the one used in laboratory and to reach a wide range of initial densities. The model was validated through comparison of numerical results with experimental data. This model was first applied on granular assemblies with different fines contents to study the role of fine particles with respect to a given soil microstructure, without taking into account an erosion process. It was shown that there exists a fines content, below the threshold, where fine particles may start to participate in the force transfer that if suffusion initiates and mobilizes these particles, it may affect the macroscopic behavior of the soil. Thereafter, a simplified kinetics of grain extraction was proposed to describe the suffusion process. It was based on a one-way fluid-solid coupling approach. The importance of this extraction procedure is that, on one hand, it takes into account complex geometric and hydraulic criteria; on the other hand, the model involves an affordable computational cost. This procedure was validated based on experimental tests carried out using a newly developed suffusion apparatus. Consequences of this erosion on the mechanical properties of soils were characterized from experimental and simulated triaxial compression tests. Suffusion development and its consequences on the macroscopic behavior are discussed from the results obtained in terms of the initial soil density and gradation, the hydraulic loading and the type of eroded particles (active or inactive in the force transfer).

L’évolution actuelle du contexte socio-économique oblige les différents acteurs du secteur des travaux publics à s’adapter aux problématiques du développement durable. Dans le domaine des ouvrages en terre, les entreprises doivent proposer des solutions techniques de valorisation des matériaux situés dans l’emprise des projets afin de limiter les emprunts extérieurs et la mise en dépôt des sols non utilisés. Les techniques de traitement des sols constituent une possibilité de valoriser ces matériaux. Cette étude se focalise sur quatre produits de traitement (kaolinite, bentonite, chaux et ciment) ainsi que sur leurs effets sur le comportement hydromécanique et la résistance à l’érosion interne d’un limon fin. Un dispositif d’érosion interne HET optimisé a été spécialement conçu dans le cadre de ce travail pour déterminer les caractéristiques d’érosion des sols traités notamment à la chaux et au ciment. Au-delà de la caractérisation des effets du traitement sur le comportement hydromécanique à court terme des sols, le travail de cette étude s’étend sur la durabilité des traitements et l’évolution du comportent hydromécanique à long terme des sols traités soumis à des sollicitations hydriques de séchage-humidification. Cette étude de la durabilité est effectuée à travers une approche multi-échelle fondée sur des données d’études en laboratoire sur des éprouvettes de sol traité et des investigations in situ sur des ouvrages hydrauliques en sol traité. L’étude montre que les sollicitations hydriques peuvent dégrader les performances du sol traité. Cette dégradation se traduit par une augmentation de la conductivité hydraulique, une diminution de la résistance mécanique et aussi une diminution de la contrainte critique qui exprime une diminution de la résistance à l’érosion interne. La cinétique de perte de performances est conditionnée par la nature du produit de traitement et son dosage utilisé, et aussi par le niveau d’exposition, le nombre et l’intensité des cycles hydriques. Cependant, l’étude in situ montre qu’il est possible de diminuer la cinétique de dégradation des performances de sols à travers des dispositions constructives adaptées. / The current evolution of the social and economic context requires from the different actors of the public works sector to adapt their practices to the challenges of sustainable development. In the field of earthworks, companies must offer technical solutions to reuse the materials located in the vicinity of the projects in order to limit the borrowing materials and unused soils deposits. Soil treatment may allow the reuse of these materials. This study was focused on four treatment products (kaolinite, bentonite, lime and cement) as well as their effects on the hydro-mechanical behavior and internal erosion resistance of a fine silt. An enhanced HET device was designed in the framework of this study to determine the internal erosion characteristics of treated soils especially with lime and cement. Beyond the characterization of treatment effects on short-term hydro-mechanical behavior of soils, the work of this study extends to the durability of treatment and the evolution of long-term hydro-mechanical behavior of treated soils subjected to drying-wetting cycles. This study of sustainability was carried out through a multi-scale approach based on laboratory study data on soil samples and field investigations on hydraulic structures made of treated soil. The study showed that hydraulic conditions variations can decrease the performance of treated soils. These degradations result on an increase in hydraulic conductivity, a decrease of the mechanical strength and also a reduction in the critical shear stress which expresses a decrease of the internal erosion resistance. The kinetic of performance loss depends to the nature of the treatment product and percentage used as well as the exposure level, the number and amplitude of the hydraulic variations. However, the field study showed that it is possible to reduce the kinetic degradation of the soil performance through an appropriate construction design.

La rupture des barrages et des digues en terre est susceptible d’avoir des conséquences importantes en aval et dans les zones protégées. Nous avons mené une analyse hydro-mécanique de la formation et du développement de brèche destinée à améliorer la précision des approches actuelles. Dans le cas de l’érosion interne, un modèle d’agrandissement de conduit a été proposé pour modéliser la rupture des digues et barrages en terre par écoulement concentré. Ce modèle tient compte de l’érosion du sol par un écoulement de conduit turbulent. En ce qui concerne l’élargissement de la brèche, un modèle simple d’estimation de la longueur critique d’afouillement par “headcut” est proposé, fonction de la résistance du sol à la traction. Ce modèle est en bon accord avec les résultats numériques obtenus par équilibre limite. Un modèle simplifé pour la contrainte latérale sur les parois de la brèche a ensuite été proposé. Ce modèle tient compte des écoulements secondaires. Il montre que la contrainte latérale peut être plus grande que la contrainte de fond, suivant la situation. Finalement, une expérimentation de grande dimension de rupture de barrage par erosion de conduit a été modélisée avec le modèle d’érosion de conduit proposé, et quelques composantes des modèles d’élargissement de brèche proposés. L’élargissement de la brèche par paliers a été reproduite au début du processus. Les perspectives de validation et d'application des modèles proposés sont discutées. / The failure of embankment dams and levees can have serious consequence in floodplains. Hydro-mechanical analyses of the breach processes were conducted to develop the accurate estimation of the failure of embankment dams and levees. Considering the internal erosion process, a pipe enlargement model was proposed to simulate the failure of embankment dams and levees by concentrated leak erosion. In this model, the turbulent pipe flow with erosion mechanism was employed as well as the soil erosion law. Considering the breach enlargement process, a simple headcut migration model based on the soil tensile strength was presented to simulate the critical length of the headcut. Good agreements were obtained by comparing with the limit equilibrium numerical model. A simple model was eventually proposed to simulate the lateral shear stress on the breach sides, accounting for the secondary flow. The lateral shear stress can be greater than the bottom shear stress, depending on the situation. . Finally, a large-scale test of dam failure was simulated by using the pipe enlargement and some components of the breach widening models proposed. The simulation of the pipe enlargement process had good agreement with the measured data. Both of the pipe diameter and the discharge flow were well simulated. The stepwise enlargement of the breach width was also well simulated at the beginning of the breach widening process. Validation and application prospects of the proposed models are discussed.