Study of scale effect in an internal erosion mechanism: centrifuge model and energy analysis

Suffusion is an internal erosion mechanism, which means detachment and transport of fine particles within the soil skeleton due to hydraulic seepage flows. Different researchers have observed that the value of the critical hydraulic gradient required to initiate suffusion decreases with the length of the specimen tested. A specific centrifuge bench was designed to study the suffusion process and to study this scale effect under a controlled effective stress. Clayey sand specimens were subjected to centrifuge acceleration and to a downward flow under a constant hydraulic head. The study underlines the influence of specimen length on critical hydraulic gradient and also on the rate of erosion. A new energy analysis of tests is developed, linking the erosion rate to the power expended by fluid flow, and the eroded clay mass to the energy dissipation. This method permits the effect of specimen length to be avoided. La suffusion est un mécanisme d’érosion interne qui correspond au détachement et au transport de particules fines au travers du squelette granulaire sous l’action d’un écoulement. Différents chercheurs ont observé que la valeur du gradient hydraulique critique nécessaire à l’initiation de la suffusion décroît avec la longueur de l’échantillon testé. Un dispositif d’essais en centrifugeuse est spécialement développé afin de caractériser la suffusion et d’étudier cet effet d’échelle sous contrainte effective contrôlée. Des échantillons sablo-argileux sont centrifugés et sont soumis à un écoulement vertical descendant sous charge hydraulique constante. L’étude met en évidence l’influence de la longueur de l’échantillon sur le gradient hydraulique critique et sur le taux d’érosion. Une nouvelle approche énergétique est proposée et permet de relier le taux d’érosion avec la puissance dissipée par le fluide ainsi que la masse érodée avec l’énergie dissipée. Cette approche permet de s’affranchir de l’effet d’échelle.