Étude des critères de stabilité interne des matériaux granulaires pour ouvrages en remblai

Bouin, Céline (2025). Étude des critères de stabilité interne des matériaux granulaires pour ouvrages en remblai. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les ouvrages en remblai sont les ouvrages de retenue les plus répandus au Québec. Composés de matériaux géologiques, ils peuvent subir une migration de particules fines sous l’effet de l’écoulement d’eau, un phénomène appelé suffusion. La susceptibilité à cette érosion interne sélective est fortement liée à l’instabilité interne du matériau, laquelle dépend principalement de la forme de sa courbe granulométrique. La méthode la plus fiable pour évaluer cette stabilité consiste à réaliser des essais d’écoulement en laboratoire. Toutefois, ces essais étant longs et coûteux, l’application de critères géométriques fondés sur des caractéristiques granulométriques est généralement privilégiée. Les plus couramment utilisés sont les critères semi-empiriques de Kezdi, de Sherard et de Kenney & Lau.

Les approches expérimentale et géométrique présentent toutes deux des limites qui nuisent à une évaluation fiable de la stabilité interne des matériaux géologiques. Les essais d’écoulement montrent une forte variabilité, notamment en raison de l’absence de normalisation, tant dans les procédures expérimentales que dans les paramètres mesurés et les valeurs seuils retenues pour différencier un matériau stable d’un matériau instable. Bien qu’imparfaits, leurs résultats servent de référence pour identifier les avantages et les limites de critères géométriques semi empiriques, en particulier ceux de Kezdi, de Sherard et de Kenney & Lau. Ces critères, généralement jugés conservateurs, sont largement modifiés et/ou combinés, donnant naissance à de nombreux critères dérivés parfois divergents dans leurs évaluations. L’objectif principal de cette thèse est donc d’améliorer l’évaluation de la stabilité interne, afin de renforcer la sécurité des ouvrages en remblai. Le projet s’articule autour de deux sous-objectifs, chacun fondé sur l’une des deux approches existantes d’évaluation de la stabilité interne.

Le premier sous-objectif comporte deux étapes. La première consiste à évaluer plusieurs méthodes de saturation applicables à des matériaux granulaires soumis à un écoulement d’eau. Cette évaluation montre qu’une saturation complète est possible en combinant une méthode éliminant l’air dissous dans l’eau avec une autre chassant l’air dans les pores. Les combinaisons les plus efficaces sont celles couplant un écoulement ascendant d’eau désaérée, obtenue par cavitation sous vide, à une purge de dioxyde de carbone (CO2) ou à une mise sous vide. La méthode par purge de CO2, permettant une saturation complète en un temps réduit, est retenue pour les essais d’écoulement de la seconde étape. Celle-ci vise à établir un critère expérimental rigoureux d’évaluation de la stabilité interne. Des matériaux granulaires grossiers, classés selon leur stabilité interne établie expérimentalement dans la littérature, sont reconstitués avec des billes de verre et testés sous un écoulement d’eau dans un perméamètre à parois rigides conçu pour cette étude. Plusieurs paramètres sensibles à la migration des particules fines sont mesurés et analysés selon l’évaluation de la stabilité interne rapportée dans la littérature. Quatre conditions, chacune associée à deux paramètres définissant la structure interne des matériaux, doivent être satisfaites simultanément pour qu’un matériau soit considéré comme stable.

Le deuxième objectif concerne l’évaluation comparative de critères semi-empiriques, en particulier ceux de Kezdi, de Sherard et de Kenney & Lau, ainsi que leurs dérivés, en vue du développement d’un critère géométrique plus fiable pour évaluer la stabilité interne. Appliqués à diverses courbes granulométriques sélectionnées dans la littérature, leurs résultats sont comparés aux évaluations expérimentales publiées. Deux méthodes distinctes sont retenues selon la forme de la courbe granulométrique: le critère de De Mello pour les courbes discontinues et une combinaison des critères de Sherard (ajusté) et de Kenney & Lau pour les courbes continues.

Titre traduit

Study of internal stability criteria of granular materials for embankment structures

Résumé traduit

The most common type of retaining structure in Quebec is the embankment dam. Constructed with geological materials, these dams may suffer from the migration of fine particles under seepage flow, a phenomenon known as suffusion. This selective internal erosion depends largely on the internal stability of the materials, which in turn depends on their grain size distribution (GSD). The most reliable approach to assess the internal stability is through laboratory flow tests. As an alternative to these costly and time-consuming tests, geometric criteria based on the GSD are often applied, with the semi-empirical criteria of Kezdi, Sherard, and Kenney & Lau being the most commonly used.

Both experimental and geometrical approaches have limitations that affect the reliability of internal stability assessment. Flow tests exhibit significant variability across laboratory studies, partly due to a lack of standardization. They differ in their experimental procedures, in the parameters measured during testing, and in the thresholds used to distinguish between stable and unstable materials. Although imperfect, these experimental results are used to identify the advantages and limitations of semi-empirical criteria, in particular those of Kezdi, Sherard and Kenney & Lau. These criteria, generally considered conservative, are often modified and/or combined, resulting in a multitude of derived criteria which may diverge in their assessment of internal stability. The main objective of this thesis is therefore to improve the assessment of internal stability in order to enhance the safety of embankment dams. Two sub-objectives are pursued, each based on one of the two existing approaches to assessing internal stability.

The first sub-objective comprises two stages. The first stage evaluates the efficiency of various methods of saturating granular materials. The results show that complete saturation is achieved by combining a method of removing dissolved air from the water with a method of eliminating air from the pores. The most effective approaches combine an upward seepage flow of deaerated water, produced by cavitation under vacuum, with either a purge of carbon dioxide (CO2) or vacuum applied at the outlet. The CO2 purge method, which achieves a complete saturation in a shorter time, is selected for the flow tests of the second stage. This stage aims to establish a rigorous experimental criterion for assessing the internal stability. Coarse granular materials, classified according to their internal stability experimentally established in the literature, were reconstituted with glass beads and tested under seepage flow in a rigid-wall permeameter designed for this study. Parameters sensitive to fine migration were monitored and analyzed according to the published assessment of the internal stability. Four threshold conditions, each associated with two parameters defining the internal structure of the materials, must be satisfied simultaneously for a material to be considered stable.

The second sub-objective is to establish a more reliable geometric criterion for assessing internal stability by comparing various semi-empirical criteria, particularly those of Kezdi, Sherard, and Kenney & Lau, as well as their derivatives. Applied to selected GSDs from the literature, the results of these assessments are compared with the corresponding published experimental results. The comparison indicates that two methods are required to properly assess internal stability, depending on the GSD form: the De Mello criterion for discontinuous GSDs, and a combination of the modified Sherard and Kenney & Lau criteria for continuous GSDs.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 239-249).
Mots-clés libres:	suffusion, stabilité interne, essai d’écoulement, saturation, critère géométrique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Éthier, Yannic
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Dubé, Jean-Sébastien
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	25 févr. 2026 20:07
Dernière modification:	25 févr. 2026 20:07
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3797

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