La construction d’un ouvrage hydraulique commence par le choix des matériaux devant le constituer. Les sols employés pour la construction d’ouvrages hydrauliques en terre peuvent être constitués de matériaux perméables tels que les sables ou les graves ou de matériaux peu perméables tels que les argiles ou les limons. En fonction de la disponibilité des matériaux à proximité du chantier, il est alors possible d’opter pour différents types d’ouvrages (ouvrages homogènes, à noyau ou zonés). Dans tous les cas, le coût d’un ouvrage tel qu’une digue est d’autant moins élevé que les sols utilisés pour sa construction sont issus de zones proches du chantier. Lorsque des sols sont disponibles en quantité suffisante à proximité du chantier mais que leur utilisation soit risquée pour la stabilité de l’ouvrage, il peut être opportun de chercher à modifier leurs caractéristiques pour qu’ils puissent être utilisés dans les mêmes conditions de sécurité que les matériaux traditionnels. C’est autour de cette problématique que ce travail de thèse a vu le jour. En particulier, ce travail vise à étudier les améliorations apportées par un traitement à la chaux appliqué sur un sol grossier soumis à un écoulement interne afin de le stabiliser contre le phénomène de l’érosion interne. La compréhension des améliorations apportées a nécessité la mise en place d’une analyse multicritère au travers d’essais dédiées. Dans la première partie de la thèse, nous nous sommes employés à développer un dispositif d’essais permettant de réaliser des essais d’érosion interne sur ce type de sol. Ce dispositif nous a permis de réaliser une étude phénoménologique sur le comportement du sol considéré, soumis à des écoulements, en fonction du sens de l’écoulement et de l’application ou pas du traitement. Par la suite une étude paramétrique a été réalisée afin de mettre en évidence l’influence des paramètres principaux : dosage de traitement, temps de cure, hauteur de l’éprouvette et surcharge. Dans une seconde partie, nous nous sommes intéressés à l’influence de l’immersion des échantillons dans l’eau sur leur stabilité. A cet effet, l’essai de dispersion, adapté à ce type de sol, a pu être utilisé et exploité. Des essais complémentaires de résistance à la compression simple ont été réalisés afin d’estimer la perte de résistance après immersion. Ce qui nous a poussés à examiner l’existence de corrélations entre les propriétés à l’érosion et les propriétés mécaniques du sol traité / The construction of a hydraulic structure starts with the selection of the materials that will constitute it. The soils used in the construction of hydraulic earthen structures may be made of permeable materials such as sands or low permeability materials such as clay or silt. Depending on the availability of materials near the site, it is possible to choose different types of structures (homogeneous structures, core or zoned). In all cases, the cost of such a structure as a dike is even lower than the soils used for its construction come from areas near the site. When soils are sufficiently available near the construction site, but their use is risky for the stability of the structure, it may be appropriate to seek to modify their characteristics so they can be used in the same security conditions than traditional materials. It is around this issue that this thesis was born. More particularly, this research aims to study the improvements made by a lime treatment on a coarse soil subjected to internal flow to stabilize against the phenomenon of internal erosion. Understanding improvements requires the establishment of a multi-criteria analysis through dedicated tests. In the first part, we are interested in developing a testing device for performing internal erosion tests on this type of soil. This device has enabled us to realize a phenomenological study of the phenomena observed with the direction of flow and the presence or not of the treatment. Subsequently a parametric study was conducted to highlight the influence of the main parameters: treatment dosage, treatment time, height of the specimen and overload. In the second part, we studied the influence of immersion samples in water for this purpose the crumb test test was adapted for this type of soil. Additional unconfined compression tests were conducted to estimate the loss of strength after immersion. This allowed us to try couplings between the properties to erosion and soil treated mechanical properties

AL’érosion interne est l’une des principales causes d'instabilité des ouvrages de retenue hydrauliques tels que les digues, les levées et les barrages. Cette pathologie peut mener à la ruine de l’ouvrage avec des pertes humaines et d’importants dégâts matériels. Ce travail de thèse est consacré à la caractérisation de la suffusion dans les sols homogènes et hétérogènes, et participe aux études menées dans le cadre du projet national ERINOH (ERosion INterne des Ouvrages Hydrauliques). Les essais menés sur l’EFA ont été effectués sur des échantillons homogènes constitués de sables et de fines (Kaolinite, Illite ou Silt) reconstitués au laboratoire. Les résultats ont montré l’importance du type et du pourcentage des fines sur la résistance à l’érosion. Par la suite, les résultats de ces essais ont été comparés aux résultats obtenus avec les mêmes matériaux réalisés à l’IFFSTAR (Paris) avec le dispositif d’érosion de trou HET. Les résultats des classifications selon les deux dispositifs placent chaque matériau testé dans des catégories similaires. Les deux approches expérimentales (EFA et HET) peuvent donc être complémentaires pour la classification des sols vis-à-vis de l’érosion interne. L’utilisation de l’EFA se révèle être plus appropriée pour des sols à faible proportion de fines qui ne peuvent pas être testés au HET. Les essais réalisés en colonne ont été effectués sur deux types de matériaux : des sols homogènes et des sols hétérogènes. Les essais sur sols homogènes ont été menés sur des matériaux constitués de sables et de fines (Argiles et Limon) à différentes proportions. Les essais ont montré également l’influence du type et du pourcentage de fines sur l’initiation et la cinétique de l’érosion. Quant aux essais sur sols hétérogènes, ils sont répartis en trois catégories : les essais sur sol bi-couches, les essais sur sol ségrégé et les essais sur sol naturel. Les essais sur sol bi-couhes ont servi à montrer l’influence sur la suffusion d’une hétérogénéité géométrique créée par une discontinuité granulométrique sur l’érosion. Ces essais ont montré aussi qu’un sol ségrégé pouvait dans certaines conditions être légèrement plus résistant à l’érosion. Dans ces essais, l’étude de l’évolution de la perméabilité en cours d’essai et l'analyse granulométrique après essai montrent une redistribution granulaire au sein de l’échantillon, qui peut mener à une meilleure résistance à la suffusion. Les essais sur le sol naturel (graves du Rhin) ont montré que ce dernier présente une résistance à la suffusion sous les sollicitations hydrauliques, en raison de la propriété d’auto-filtration. Les mesures de pressions le long de l’échantillon ont permis de mettre en évidence la variation des gradients hydrauliques locaux, paramètres indirects de redistribution de fines dans l’échantillon avec un colmatage potentiel. / AInternal erosion is one of main causes of instabilities of hydraulic retaining structures such as dykes, levees and dams. This problem can lead to the collapse of the structure with considerable material damage and sometimes human losses. This study is devoted to characterisation of suffusion in homogeneous and heterogeneous soil. It also participates to other studies performed in the framework of the the national project ERINOH (INternal ERosion in Hydraulic Structures). Tests using the device EFA (Erosion Function Apparatus) were performed on homogeneous samples made of sand and fines (Kaolinite, Illite ou Silt) prepared in the laboratory. The results showed the importance of the type and the percentage of fines on the erosion resistance. Thereafter, these results were compared to other results obtained from similar samples and performed at IFFSTAR (Paris) using HET (Hole Erosion Test) device. This comparison showed important differences on estimating the hydraulic shear stress. Nevertheless, classification results for both devices place tested samples in similar categories. These two devices (EFA and HET) can be complementary in soil classification against internal erosion. The EFA showed that it can perform tests on samples containing lower percentage of fines which cannot be tested on the HET device. Tests on erosion columns were performed on two different kinds of soils : homogeneous et heterogeneous soils. Homogeneous soils were made of sand and fines (clays and Silt) at different fines contents in the whole composition. The results showed the importance of the type and the percentage of fines on the initiation and evolusion of the suffusion. Tests performed on heterogeneous soils were splitted into three different categories : Two-layers sample tests, segregated sample tests and tests carried out with natural soils. Test using two-layers sample showed the influence of a geometrical heterogeneity created by granulometric discontinuity on suffusion. Segregation tests showed that under fixed conditions segregated sample can be slightly more resistant against internal erosion. The observation of permeability and post-test grain size analysis showed redistribution of soil particles that can lead to better resistance against suffusion. Test performed on natural soil (Rhine gravels) showed substancial resistance against suffusion under hydraulic load due to auto-filtration properties. Pressure measurments along the sample showed the variation of local hydraulic gradients, indirect parameters of fines redistribution in the sample with partial clogging.

L'érosion de contact est un type d'érosion interne qui se développe à l'interface entre deux couches de matériaux de granulométries différentes. Les particules d'un sol fin (sable, limon, argile…) sont détachées par l'écoulement et entraînées à travers les pores du sol grossier au contact (gravier…). Bien que l'on suspecte sa présence dans de nombreux ouvrages, ce processus d'érosion a été peu étudié jusqu'à présent. Aussi ce travail de thèse s'est attaché à mieux le comprendre pour parvenir à le modéliser. A l'échelle du pore, l'écoulement à l'interface entre deux milieux poreux a été caractérisé, grâce à un dispositif expérimental développé au Cemagref d'Aix-en-Provence qui combine fluorescence induite par laser, méthode PIV et milieu iso-indice. L'importance de la variabilité des sollicitations hydrauliques a ainsi été soulignée. A l'échelle de l'échantillon, des essais sur sols réels et sols reconstitués ont été menés au LTHE, afin d'identifier les phénomènes en jeu. Ont également été obtenues sur ce dispositif des mesures du taux d'érosion en fonction de l'intensité de l'écoulement, pour différents types de sols fins et de sols grossiers. Une modélisation stochastique de ces essais a ensuite été proposée. Enfin, des essais à grande échelle ont été conduits au laboratoire de la Compagnie Nationale du Rhône pour étudier l'éventuelle influence d'effets d'échelle ainsi que les conséquences de cette érosion de contact sur le comportement global et l'intégrité d'un ouvrage. Il a ainsi été mis en évidence la possibilité qu'une érosion de conduit soit initiée par érosion de contact. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ERINOH (ERosion INterne dans les Ouvrages Hydrauliques), en convention CIFRE avec le Centre d'Ingénierie Hydraulique d'EDF. / Contact erosion is a type of internal erosion which occurs at the interface between two soil layers of different particle sizes. Particles from the fine soil (sand, silt, clay…) are pulled and driven by the flow through the pores of the surrounding coarse soil (gravel ...). Although its presence is suspected in many earthfill embankments, this process has been little studied so far. The aim of this thesis was to better understand and, possibly, to model contact erosion. At pore scale, the flow at the interface between two porous media was characterized thanks to an experimental device, developed in Cemagref, combining Planar Laser Induced Fluorescence, PIV method and Refractive Index Matching. The spatial variability of flow shear stress has been emphasized. At sample scale, several tests on real and reconstituted soils were carried out in LTHE, in order to identify the phenomena involved in contact erosion. Erosion rates as a function of flow magnitude have also been measured for different types of fine and coarse soils. Then, a stochastic model was proposed to account for these experiments. Finally, large scale tests were conducted in the laboratory of Compagnie National du Rhône, to study the influence of scale effects as well as the consequences of contact erosion on global behavior and integrity of the embankment structure. The possibility of piping initiation by contact erosion was underlined. This thesis is part of the project ERINOH project and was funded by EDF-CIH.

L'érosion de contact est un type d'érosion interne qui se développe à l'interface entre deux couches de matériaux de granulométries différentes. Les particules d'un sol fin (sable, limon, argile...) sont détachées par l'écoulement et entraînées à travers les pores du sol grossier au contact (gravier...). Bien que l'on suspecte sa présence dans de nombreux ouvrages, ce processus d'érosion a été peu étudié jusqu'à présent. Aussi ce travail de thèse s'est attaché à mieux le comprendre pour parvenir à le modéliser. A l'échelle du pore, l'écoulement à l'interface entre deux milieux poreux a été caractérisé, grâce à un dispositif expérimental développé au Cemagref d'Aix-en-Provence qui combine fluorescence induite par laser, méthode PIV et milieu iso-indice. L'importance de la variabilité des sollicitations hydrauliques a ainsi été soulignée. A l'échelle de l'échantillon, des essais sur sols réels et sols reconstitués ont été menés au LTHE, afin d'identifier les phénomènes en jeu. Ont également été obtenues sur ce dispositif des mesures du taux d'érosion en fonction de l'intensité de l'écoulement, pour différents types de sols fins et de sols grossiers. Une modélisation stochastique de ces essais a ensuite été proposée. Enfin, des essais à grande échelle ont été conduits au laboratoire de la Compagnie Nationale du Rhône pour étudier l'éventuelle influence d'effets d'échelle ainsi que les conséquences de cette érosion de contact sur le comportement global et l'intégrité d'un ouvrage. Il a ainsi été mis en évidence la possibilité qu'une érosion de conduit soit initiée par érosion de contact. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ERINOH (ERosion INterne dans les Ouvrages Hydrauliques), en convention CIFRE avec le Centre d'Ingénierie Hydraulique d'EDF.

L’érosion interne est la cause principale de ruptures des ouvrages hydrauliques en terre, tels que les digues et les barrages. Les conséquences de telles ruptures sont conséquentes et couteuses. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre une catégorie particulière de processus d’érosion, la suffusion, en en caractérisant l’initiation et l’évolution. Cette recherche, à dominante expérimentale, s'appuie sur une modélisation physique unidimensionnelle. Les essais sont réalisés dans une conduite en plexiglas de 18 cm de diamètre intérieur, équipée de capteurs de pression, d’un débitmètre et d’un turbidimètre. Un dispositif de collecte des particules érodées est installé à l’aval de la conduite pour quantifier les particules érodées à des intervalles de temps choisis. Dans cette étude, on a réalisé une série d’essais sur des matériaux pulvérulents. Dans ce type de matériaux, l’érosion se manifeste par suffusion. Elle correspond à l’arrachement et au transport des particules fines à travers l’espace poral des particules grossières. Dans un premier temps, un protocole de reconstitution de matériaux pulvérulents est élaboré. Le principe consiste à réaliser des mélanges humides avec une teneur en eau relative à la masse des particules fines. Pour surmonter les problèmes rencontrés dans la réalisation des essais, la conduite est disposée verticalement, et les matériaux testés sont reconstitués à partir de mélanges de particules sableuses. Une étude paramétrique est menée sur l’influence de certains paramètres, tels que la granulométrie, la pression d’écoulement, la nature et la teneur en particules argileuses ainsi que la densité de mise en place. Les résultats obtenus montrent que l’érodabilité des matériaux dépend de la forme des courbes granulométrique. En effet, l’érosion est plus accentuée pour les matériaux contenant moins de particules fines. Elle est également plus forte quand la courbe granulométrique est discontinue. L’ajout de particules argileuses augmente la résistance à la suffusion des matériaux testés. Trois catégories de matériaux argileux ou fins sont testées : une illite (argile verte de Velay), une kaolinite (Speswhite), et du sable broyé (C10). Les résultats montrent que les matériaux contenant de l’illite sont plus résistants à la suffusion que les matériaux contenant de la kaolinite, tandis que les matériaux contenant du sable broyé sont les moins résistants. Cette résistance à la suffusion augmente avec la teneur en particules argileuses. L’érosion des matériaux dépend aussi de la densité initiale des matériaux testés. En effet, pour la même pression d’entrée, la quantité des particules érodées diminue en augmentant la densité de mise en place / Internal erosion is the main cause of failure of hydraulic structures such dykes and dams. The consequences of such failures are substantial and costly. The objective of this thesis is to better understand one of the erosion phenomena, the suffusion, and to characterize the initiation and the evolution of this phenomenon. A physical modeling approach is used for this study. Tests are carried out in a Plexiglas pipe of 18 cm inner diameter, equipped with pressure sensors, flowmeter and turbidimeter. A device for collecting the eroded particles, at selected time intervals, is installed in the downstream part of the device. In this study we performed a series of tests on coarse cohesionless soil. In this type of material, erosion is manifested by suffusion. It corresponds to the detachment and transport of fine particles through the pore space of the coarse particles. First, a cohesionless soil reconstitution protocol is developed. The idea is to make wet mixtures with water content depending on the fine particle content. To overcome some problems encountered in carrying out the tests, the device is arranged vertically, and the materials tested are reconstituted from mixtures of sand particles. A parametric study on the influence of several parameters such as particle size distribution, flow pressure, nature and content of clay particles and initial density are conducted. The results show that the erodibility of the material depends on the shape of the particle size distribution. Indeed erosion is more pronounced for materials containing less fine particles. This erodability is more pronounced when the curve is gap-graded. Erodibility of the tested soils increases with the hydraulic load. The addition of clay particles increases the resistance to suffusion of the soils. Three categories of clayed or fine soils are tested: illite (Argile Verte de Velay), kaolinite (Speswhite), and crushed sand (C10). The results show that materials containing illite are more resistant to suffusion than materials containing kaolinite, whereas materials containing crushed sand are less resistant. This resistance to suffusion increases with clay particle content. The erosion of materials also depends on the initial density of the soil tested. Indeed, for the same applied pressure, the quantity of eroded particles decreases with increasing the initial density

$aL’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. / 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.

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.