MÉCANISMES DE DRAINAGE ET DE FILTRATION Notes de cours complémentaires au cours GCI 310 – Mécanique des sols
Le but de l'utilisation d'un filtre en géotechnique est de permettre le passage d'un fluide tout en prévenant la dégradation du sol par des forces hydrauliques due à l'écoulement du fluide. En d'autres mots, un filtre doit retenir le sol et permettre le passage de l'eau. Ces deux exigences sont contradictoires si elles sont appliquées de façon extrême. En effet, à la limite si on veut que toutes les particules soient retenues, on utilisera un écran imperméable et de ce fait, l'eau ne pourra traverser. D'un autre côté, si on désire que le passage de l'eau ne soit pas gêné, les pores du filtre seront tellement gros que pratiquement aucune particule de sol sera retenue. Donc, la conception d'un filtre doit tenir compte de ces deux exigences et s'appliquer aux conditions de sol, d ' écoulement et de charge en présence sur le site.
Rôles du filtre et du drain
Dans les ouvrages de génie civil, le rôle des systèmes de drainage consiste à:
Évacuer les eaux de ruissellement
Contrôler les écoulements intermittents
Rabattre le niveau des nappes phréatiques
Diminuer et maîtriser les pressions d'eau
Accélérer les phénomènes de consolidation (drain-mèche).
Rétention des sols
L’écoulement de l'eau dans le sol exerce des forces de traîné sur les particules qui conséquemment ont tendance à se déplacer. Il y a déplacement si les forces de traîné dépassent les forces de cohésion des particules. Ces forces de résistance peuvent résulter de plusieurs mécanismes tels que l'emprisonnement de particules à l'intérieur d'un squelette formé par de plus grosses particules; la friction entre particules et les forces d'attraction entre les particules (mécanisme qui génère les sols cohérents). Le filtre doit résister aux pressions engendrées engendrées par le sol et le liquide et doit avoir une grosseur d'ouverture appropriée pour retenir les particules qui doivent être retenues. Pour le choix d'un géotextile filtre, on doit d'abord identifier identifier la nature du sol, à savoir si on est en présence d'un sol stable ou instable.
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Sol stable
Le sol est considéré stable s' il est en mesure de développer une processus de filtration. Ces sols sont de type granulaire ou cohérent, de granulométrie étalée ou uniforme.
Sols à granulométrie étalée continue Pour ces sols, le filtre doit retenir les plus grosses particules. En effet, les grosses particules sont bloquées par les ouvertures et bloquent ensuite les particules plus fines. On obtient alors un auto-filtre (figure 5).
Sols granulaires à granulométrie uniforme Pour les sols à granulométrie uniforme, non ou peu cohérent, les ouvertures des géotextiles doivent donc être plus petites que le diamètre moyen des particules (figure 6). De nombreux géotextiles satisfont à cette condition pour les sables fins. Par contre, pour certains sols très fins ( cendres, silts, limons non argileux, loess, etc. ) on peut avoir une pénétration des particules dans le géotextile qui entraîne parfois du colmatage interne. On recommande dans ces cas d'utiliser des géotextiles spécifiques avec une porométrie plus fermée. Sols cohérents Les sols cohérents ont une grosseur de panicule généralement inférieure à celle des ouvertures du filtre. Cependant, les fines sont liées entre elles par des forces de cohésion importantes qui forment au contact du filtre, de petites voûtes stables (figure 7). Le risque de colmatage est d'autant plus faible que ces sols sont peu perméables et que le géotextile, même pénétré par une quantité importante de panicules, gardera une perméabilité très supérieure à celle du sol.
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Sol instable
Ces sols peuvent difficilement développer un processus de filtration, ils ont le potentiel de pertes de particules à travers le filtre. Dans cette catégorie, on retrouve la granulométrie discontinue échelon (gap-graded soil) et les sols avec une fraction de fines instables, caractérisés par une courbe granulométrique très étalée (D6o /D1o >20) avec une courbure concave vers le haut (figure 8). Pour un sol instable, le choix d'un géotextile est complexe et constitue un défi de taille. Dans certains cas, mais pas tous, il peut exister un filtre avec une taille d'ouverture appropriée.
Critères de rétention
Le critère de rétention des particules de sol est généralement exprimé par un rapport entre l'ouverture de filtration du géotextile (représentant sa porométrie) et la dimension des plus grosses particules de sol susceptible de le traverser (D).
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Ouverture de filtration Diverses techniques ont été développées pour mesurer la taille des pores d'un géotextile. Elles sont divisées en trois classes: les méthodes directes (optiques ou par analyse d'images); indirectes (tamisage) ou théoriques (calcul de la porométrie). Les méthodes par tamisage sont les seules a avoir été normalisées. Le diamètre d' ouverture de filtration est défini comme la dimension D95 de la courbe cumulative des particules passant au travers le géotextile pendant le tamisage. En d'autres mots, D95 est la dimension de l'ouverture du géotextile dont 95% de ses ouvertures sont inférieures à cette valeur. Au Canada, deux méthodes sont actuellement utilisées: le tamisage hydrodynamique qui donne le paramètre FOS (Filtration Opening Size) (CAN/CGSB 148.1-10) et le tamisage à sec qui donne le AOS (ASTM D 4751-81). Pour mesurer le FOS, on dépose sur le géotextile, une quantité déterminée de billes de verre et on le soumet à une série d'immersions et d'émersions dans un bac rempli d'eau. Les particules sont alors entraînées à travers l'échantillon. Cette procédure simule des conditions que l'on retrouve dans des applications de filtration et de séparation. Selon certains 1, le FOS est donc le seul critère à appliquer pour la conception de filtres et de séparateurs. En effet, la procédure d'immersion et d'émersion force les particules à passer au travers du géotextile. Aussi, le fait de mouiller les particules pendant le tamisage, élimine les forces d'électricité statique à la surface des particules et des fibres. Avec le tamisage à sec, les forces électrostatiques qui se développent pendant le test, entraînent une agglomération des particules, même en utilisant un agent antistatique. On obtient alors des résultats qui peuvent s'avérer complètement erronés.
Il est à noter que la méthode utilisée pour évaluer l'ouverture de filtration doit correspondre à celle prescrite dans le guide de sélection pour le critère choisi. On présente à la figure 9, des critères de rétention pour différents types de sol. Il est à noter que les différentes ouvertures Ox.x correspondent au tamisage à sec.
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SAGEOS (Centre d'analyse des géosynthétiques)
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Annexe A – Schéma de la démarche pour sélectionner un filtre géotextile
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