Ce travail de thèse porte sur l'étude des mécanismes de blocage d'un écoulement d'eau dans un milieu granulaire par injection d'un produit de colmatage, et s'inscrit plus généralement dans la problématique de l'érosion interne des sols (Projet National ERINOH). Cette recherche, à dominante expérimentale, s'appuie sur une modélisation physique unidimensionnelle. Pour cela, une conduite d'écoulement de 18 cm de diamètre intérieur et 300 cm de longueur maximale, constituée par plusieurs tronçons de 50 cm de longueur assemblés, a été développée. Celle-ci est tout d'abord remplie du matériau granulaire perméable à étudier ; on établit ensuite un écoulement d'eau permanent à pression imposée à l'amont ; finalement on vient injecter localement un produit de colmatage pour essayer de bloquer l'écoulement. Le dispositif est équipé de plusieurs capteurs de pression, de débitmètres, d'un turbidimètre afin de mettre en évidence les paramètres significatifs qui contrôlent le processus de blocage. Les paramètres expérimentaux sont les caractéristiques du milieu granulaire (type de sol, conductivité hydraulique, état de compacité…), les caractéristiques de l'écoulement (vitesses, gradients hydrauliques, régime de l'écoulement…), les propriétés rhéologiques du coulis d'injection (densité, viscosité, seuil de cisaillement…) et la technique d'injection associée. Sur la base des résultats obtenus, on propose des critères de blocage de l'écoulement combinant ces derniers paramètres sous une forme suffisamment simple, utilisable dans la pratique, pour répondre à la demande des industriels impliqués dans le projet de recherche ERINOH, qui sont confrontés à ces pathologies / The present PhD thesis focuses on the mechanisms of blocking permanent water flow through a granular soil by injection of a grout. This work is part of the more general problem of internal erosion of soils (French National Project ERINOH). This research, mainly experimental, is based on a one-dimensional physical modelling. For this, a new original prototype setup, allowing to generate permanent flow in a 18 cm inner diameter and 3 m long plexiglas pipe, has been developed. It is first filled with a highly permeable granular medium, then permanent flow of water is generated at controlled upstream pressure, and finally the grout is injected locally in order to try to block the water flow. The set-up is equipped with multiple pressure sensors, flowmeters, a turbidimeter to monitor the significant parameters that control the clogging process. The experimental parameters are the characteristics of the granular medium (soil type, hydraulic conductivity, density ...), the flow characteristics (flow rate, hydraulic gradient, flow regime ...), the rheological properties of the grout (density, viscosity, yield stress ...) and the associated injection technique. Based on the results obtained, clogging criteria are proposed, as a function of the parameters involved, in a simple form for use in practice.Key-words: internal erosion, clogging, injection, grout, bentonite, yield stress, viscosity.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des mécanismes de blocage d'un écoulement d'eau dans un milieu granulaire par injection d'un produit de colmatage, et s'inscrit plus généralement dans la problématique de l'érosion interne des sols (Projet National ERINOH). Cette recherche, à dominante expérimentale, s'appuie sur une modélisation physique unidimensionnelle. Pour cela, une conduite d'écoulement de 18 cm de diamètre intérieur et 300 cm de longueur maximale, constituée par plusieurs tronçons de 50 cm de longueur assemblés, a été développée. Celle-ci est tout d'abord remplie du matériau granulaire perméable à étudier ; on établit ensuite un écoulement d'eau permanent à pression imposée à l'amont ; finalement on vient injecter localement un produit de colmatage pour essayer de bloquer l'écoulement. Le dispositif est équipé de plusieurs capteurs de pression, de débitmètres, d'un turbidimètre afin de mettre en évidence les paramètres significatifs qui contrôlent le processus de blocage. Les paramètres expérimentaux sont les caractéristiques du milieu granulaire (type de sol, conductivité hydraulique, état de compacité...), les caractéristiques de l'écoulement (vitesses, gradients hydrauliques, régime de l'écoulement...), les propriétés rhéologiques du coulis d'injection (densité, viscosité, seuil de cisaillement...) et la technique d'injection associée. Sur la base des résultats obtenus, on propose des critères de blocage de l'écoulement combinant ces derniers paramètres sous une forme suffisamment simple, utilisable dans la pratique, pour répondre à la demande des industriels impliqués dans le projet de recherche ERINOH, qui sont confrontés à ces pathologies

L'érosion interne est l'une des principales causes des instabilités d'ouvrages hydrauliques en terre (digue, levée, barrage ...). Les désordres constatés sur des ouvrages récents soulignent la nécessité d'une meilleure compréhension et quantification des phénomènes qui régissent l'érosion interne. L'entraînement et le transport de grains par les écoulements internes affectent la distribution granulométrique, modifient la porosité ainsi que les caractéristiques mécaniques et hydrauliques. L'actuelle méconnaissance de ces phénomènes dans les sols sablo-argileux, très fréquents dans les ouvrages, nous a conduit à privilégier l'étude du comportement de ces milieux. <br />Une étude préliminaire de visualisation et de quantification de l'influence de quatre paramètres (poids volumique, gradient hydraulique, pourcentage d'argile et ouverture des pores du filtre) nous a permis d'une part de valider leur choix et d'autre part de définir un protocole et un prototype expérimentaux adaptés. Le banc expérimental ainsi réalisé, permet de consolider et de confiner les échantillons en évitant tout écoulement parasite. <br />Les échantillons sont soumis à un écoulement descendant sous gradient hydraulique constant. L'acquisition des données est automatisée afin de suivre continûment le débit d'eau injecté, les variations volumiques des échantillons, la masse et la concentration d'argile de l'effluent. Après validation de l'expérimentation par reproduction puis confrontation avec une étude présente dans la littérature, nous réalisons des essais paramétriques. Ces expérimentations mettent en évidence l'existence d'un seuil de gradient hydraulique pour la suffusion d'une fraction de l'argile, qui s'accroît avec le pourcentage d'argile et la pression de confinement. <br />Nous constatons l'existence d'un second seuil au delà duquel la migration d'argile s'accompagne de l'érosion régressive de sable, ce qui induit un renard et finalement l'effondrement de l'échantillon. Ce seuil augmente avec le pourcentage d'argile mais décroît avec la pression de confinement. L'influence des caractéristiques du sable sur le renard est également mise en évidence.<br />Nous proposons une première modélisation numérique 1D de la suffusion qui permet de représenter l'évolution de la concentration en argile de l'effluent et de la masse érodée. <br />Ce travail permet également d'ouvrir d'intéressantes perspectives de recherche théorique ou expérimentale.

La plupart des digues sont constituées de matériaux granulaires compactés. Elles sont ainsi perméables et constamment soumises à des écoulements d’eau dans leur volume. Dans certaines conditions, ces écoulements peuvent altérer leur microstructure par érosion interne et générer des instabilités mécaniques responsables de ruptures inopinées lors de crues. Cette thèse s’intéresse à l’analyse multi-échelle des instabilités mécaniques dans les matériaux granulaires soumis à l'érosion interne. Dans ce travail, le comportement mécanique de ces matériaux est simulé en 3D à l’échelle de volumes élémentaires représentatifs, et ce, pour différents états de contraintes et gradients hydrauliques. Grâce à l’utilisation du critère du travail du second ordre et d’outils micromécaniques, leur stabilité est analysée avant et après l’application d’un écoulement interne. Il est établi que l’origine micro-inertielle des instabilités observées provient du déconfinement et de la flexion des chaînes de force ainsi que des déformations plastiques importantes résultant de leur effondrement. Par leur capacité à enrayer rapidement le développement de telles déformations plastiques, il est montré que les particules libres contribuent à assurer la stabilité mécanique des matériaux granulaires. Ce résultat est fondamental pour analyser les conséquences de l’érosion interne en termes de stabilité mécanique car les particules libres sont facilement transportables sous l’action d’un écoulement interne. Selon si elles sont colmatées ou érodées, un écoulement interne aura un effet stabilisateur ou déstabilisateur vis-à-vis du comportement mécanique des matériaux granulaires soumis à l’érosion interne / Dikes are most of the time built of compacted granular materials that are permeable and continuously subjected to internal fluid flows. In some cases, microstructure modifications resulting from internal erosion generate mechanical instability that will lead to unexpected failures in case of serious flooding. This thesis focuses on multi-scale analysis of mechanical instability in granular materials subjected to internal erosion. In this work, the mechanical behavior of such materials is simulated in three dimensions at the scale of representative elementary volumes subjected to different stress states and hydraulic gradients. Thanks to the use of the second order work criterion and micromechanical tools, the mechanical stability of these materials is tested before and after internal erosion. It is established that the micro-inertial origin of the observed instabilities is linked to force chain deconfinement and bending as well as to the development of large plastic strains resulting from force chain collapse. By preventing the development of such plastic strains, it is shown that rattlers contribute to ensure the mechanical stability of granular materials. This key finding is of a particular significance in relation with internal erosion as rattlers can be easily transported under the action of an internal fluid flow. Depending on whether they get clogged or eroded, an internal fluid flow has thus either a stabilizing or a destabilizing effect on the mechanical behavior of granular materials subjected to internal erosion

L'érosion interne est le résultat de l'arrachement des particules d'un sol sous l'action d'un écoulement hydraulique. Ce phénomène est à l'origine des ruptures hydrauliques des barrages et des digues. Sur le plan mondial, 46% des désordres observés, sur les ouvrages en terre, ont pour origine l'érosion interne. En France, 70 cas critiques ont déjà été détectés. Malheureusement, à cause du phénomène d'érosion lui-même, la prévision du risque reste délicate et les autorités ont du mal à mettre en place des plans d'urgence. Compte tenu du risque potentiel, la compréhension des phénomènes à l'origine de l'érosion interne apparaît comme un enjeu scientifique majeur. L'objectif du travail de thèse est de mettre au point une méthode de diagnostic de l'érosion interne dans les digues et autres ouvrages en terre. Nous cherchons à établir un protocole qui nous guidera sur les essais à faire et qui nous aidera à interpréter les résultats. Cette méthode permettra d'expertiser les risques d'érosion interne. (i) Dans un premier temps, les principaux résultats des reconnaissances géomécaniques permettent d'identifier des couches géotechniques de sol de caractéristiques homogènes dans lesquelles sont réalisés les essais pressiométriques. L'analyse cluster des résultats des essais pressiométriques permet de déterminer le type, la nature de sol, ainsi que les caractéristiques géotechniques moyennes. (ii) Les résultats obtenus servent ensuite à déterminer si le sol est instable et quel est son seuil de sensibilité à l'aide du logiciel expert. Ce logiciel permet de calculer les critères d'érosion interne et de qualifier la sensibilité du sol à l'érosion en déterminant son seuil érosif. (iii) Un nouveau dispositif expérimental appelé l'Essai d'Erosion Transverse (Cross Erosion Test - CET) permet de caractériser expérimentalement le sol par rapport au risque d'érosion interne. Cet essai consiste à injecter de l'eau dans un forage, puis à pomper cette eau dans un forage parallèle au premier. L'eau extraite est chargée en particules produites par l'érosion interne du sol. L'érosion est estimée en se basant sur la mesure de l'évolution de la masse des particules recueillies au cours du temps. Les résultats montrent que cette expérience permet de caractériser l'érosion interne dans un sol spécifique. L'avantage de cette technique c'est qu'elle est transposable in situ et qu'elle peut être utilisée pour prédire le risque de suffusion dans les barrages et les digues. (iv) La validation de l'expérience est faite par un modèle numérique 3D réalisé avec le logiciel Comsol Multiphysics 4.3b. Ce modèle permet de montrer que sous les conditions de perméabilité observées, le gradient hydraulique se concentre autour des points d'injection et de pompage. Une modélisation de base en 2D est développée. Cette première approche permet de décrire le phénomène d'érosion et le transport des particules fines dans le milieu poreux du sol. / Internal erosion is the displacement of the fine particles of a soil under the action of an internal flow. This mechanism could be the origin of the damage on embankments and earth dams. In the word, 46% of failure observed on earthwork, are caused by internal erosion. In France, 70 critical cases have been detected. Unfortunately, due to internal erosion, the prediction of risk remains difficult. The understanding of this phenomenon of internal erosion appears as a major scientific challenge. The aim of this thesis is to develop a diagnostic method of internal erosion in dams and other earthworks. We seek to establish a protocol that will guide us to the test and help us to interpret the results. This method allows concluding about the risk of internal erosion appearance. (i) Initially, the main results of geotechnical survey allow identifying the layers of homogeneous characteristics of soil which are measured by the pressuremeter test. The results of cluster analysis of pressuremeter tests allow determining the localisation, the nature and the mean geotechnical characteristics of the soil. (ii) The results are used to determine the threshold of sensibility to internal erosion with the help of expert software. This software allows to calculate the criteria of internal erosion and to describe the sensitivity of the soil to internal erosion. (iii) A new experimental device is developed in our laboratory. This experiment called “Cross Erosion Test" (CET) allows determining the experimental resistance of the soil to the risk of internal erosion. The test consists of the injection, in a first drilling, of clear water and of the recovery, in another drilling, of water charged with eroded particles. For different initial state of the soils, it is possible to measure and to characterize the internal erosion by visualisation of the water flow and the measurement of the weight of the extracted eroded particles. The results show that this experience allows characterizing the internal erosion in a specific soil. The advantage of this technique is that it can be used in situ to predict the risk of suffusion in dams and dikes. (iv) A validation of experiences, with a 3D finite element method is carried out with the help of the Comsol Multiphysics 4.3b software. This model shows that under experiment hydraulic conditions, the hydraulic gradient is concentrated around the injection and the pumping. A finite element 2D model is developed to simulate erosion process. This approach describes the phenomenon of internal erosion and transport of fines particles in the porous medium of soils tested.

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

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).