Influence of angularity of coarse fraction grains on internal erosion process

Influence de l’angularité des grains de la fraction grossière sur un processus d’érosion interne

Institut GeM, l’Université Nantes Angers Le Mans LUNAM, CNRS IUT de Saint-Nazaire, BP 420, 44606 Saint-Nazaire Cedex France
email : didier.marot@univ-nantes.fr ; fateh.bendahmane@univ-nantes.fr ; hong-hai.nguyen@univ-nantes.fr

Abstract

This paper deals with suffusion process also named internal instability, which takes place inside the soil skeleton. In this process, finer particles of a soil migrate within its own pore spaces. These fine particles can be cohesionless particles or clay particles. With the objective to study the effect of angularity of coarse fraction grains on suffusion a series of tests was performed on different clayey sand. Three coarse fraction type samples were tested which are different by the grain size distribution and also by the angularity of grains. A specific triaxial device was used in order to force fluid through the samples in downward direction under constant hydraulic gradients.

It is shown that the angularity of coarse fraction grains may contribute to increase the erosion resistance of the tested soils by a factor of 5. Moreover for the tested soils, the grain shape has an effect on hydraulic conductivity decrease. The angularity of coarse fraction grains may intensify the geometric blocking of detached clay particles.

Finally a study is conducted to compare the different ways to characterize the angularity of grains: by an analysis of grain pictures, by using an angulometer or by measuring the internal friction angle.

Résumé

Cet article porte sur le processus de suffusion, également nommée instabilité interne, qui se produit au coeur du squelette granulaire. Ce processus mobilise les particules fines du sol qui migrent à l’intérieur de l’espace poral. Ces particules fines peuvent être non cohésives ou argileuses. Avec l’objectif d’étudier l’influence sur la suffusion de l’angularité des grains de la fraction grossière, une série d’essais est réalisée sur différents sables argileux. Les trois types de fraction grossière testés se différencient par leur distribution granulométrique et par l’angularité de leurs grains. Un appareillage triaxial spécifique est utilisé afin de soumettre les échantillons à un écoulement vertical descendant sous gradients hydrauliques constants.

L’étude montre que l’angularité des grains de la fraction grossière peut contribuer à accroître la résistance à l’érosion des sols testés par un facteur 5. Par ailleurs dans le cas des sols testés, la forme des grains a une influence sur la diminution de la conductivité hydraulique. L’angularité des grains de la fraction grossière doit amplifier le blocage géométrique des particules argileuses détachées.

Enfin une étude est menée pour comparer différentes méthodes de caractérisation de l’angularité des grains: par analyse d’images de grains, par l’utilisation d’un angulomètre et par la mesure de l’angle de frottement interne.