CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE ET PROBLÉMATIQUE
2.7 Problématique
2.7.1 Ségrégation des remblais hydrauliques
Harvey (2004) a souligné que « Les paramètres de résistance mécanique ne sont significatifs que si les éprouvettes sont homogènes ». C’est une exigence qui n’est pas facile d’atteindre ou de garantir pour plusieurs raisons, surtout pour les remblais hydrauliques à cause de la ségrégation. Corson (1966, 1970) a étudié les effets de la ségrégation sur les propriétés géotechniques du remblai hydraulique. Après une analyse de la résistance en compression uniaxiale de plusieurs échantillons normalisés issus de différents mélanges de remblai hydraulique. Il a d’abord proposé l’équation suivante pour décrire la résistance mécanique d’un remblai hydraulique (Corson 1966) :
Ln (UCS en psi) = 8,271565 + 1,482918 Ln (% ciment) + 0,1129835 𝐶𝑢
et ensuite une autre équation pour décrire la résistance en compression uniaxiale d’un remblai hydraulique (Corson 1966, 1970) : Ln (UCS en psi) = 10,31302 + 2,316894 Ln (% ciment) + 2,6167651 (𝐷60× 𝐶𝑢) + 0,4686402 (% 𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡 × 𝑆𝑖) − 2,617396 (% 𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡 × 𝐶𝑢) − 0,8850627 𝐿𝑛 (% 𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡 × 𝑆𝑖) − 11,59489 𝐷60 + 62,96942 (% 𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡 × 𝐷60) − 8,250270 (% 𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡) − 0,3077579 L𝑛 (𝐷10)
où Cu, est le coefficient d’uniformité; D10 et D60 sont respectivement les tailles des grains
correspondant à 10% et 60% passant en pouces; Si est le pourcentage de silice présent dans les
résidus.
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60 Pour améliorer le drainage et diminuer la ségrégation des particules, il a proposé l’utilisation d’un dispersant et l’alternance des points de déversement. Cependant, il n’a donné ni appréciation du phénomène de ségrégation et ni analyse sur les mécanismes de ségrégation.
Suite à une analyse visuelle d’une coupe verticale dans un chantier remblayé, Ouellet et al. (1995) ont révelé la présence de strates de textures et de compositions différentes. Les couches de faible résistance peuvent être des plans de faiblesse si elles sont orientées de façon défavorable (Belem et al., 2002). Barrett (1973) et Barrett & Cowling (1980) ont montré que l’hétérogénéité du remblai dans le chantier est fonction du mode de remblayage utilisé et de la géométrie du chantier. Martic et al. (2014) ont proposé l’intégration d’adjuvants dans le mélange afin d’améliorer l’écoulement et l’homogénéité du remblai dans le chantier.
Dans une étude menée par Liu et al. (2017) sur plusieurs échantillons de remblais hydrauliques prélevés dans une mine en Ontario, ils ont montré que les résistances en compression uniaxiale obtenues en laboratoire sont très variées et dispersées. La grande variation et la dispersion des résistsances mécaniques ont été en partie attribuées à la ségragtion des matériaux comme montré à la figure 2.34. À cause de la ségragation, on voit clairement que la teneur des particules fines ou grossières et la teneur en ciment peuvent être différentes du bas vers le haut.
Figure 2.34 : Démonstration de la ségrégation sur des échantillons de remblai hydraulique cimenté (tirée de Liu et al., 2017).
La ségrégation des particules dépend des propriétés constitutives des solides, des propriétés rhéologiques du mélange, et des variables opérationnelles de déposition du mélange (Reddy & Sai, 2014). Cette tendance de séparation et de formation en différentes zones et couches est largement imputée aux différences de mobilité du mélange (Rosato & Blackmore, 2000).
2.7.2 Mécanismes de ségrégation lors de la déposition du remblai hydraulique
Dans la section 2.5.2, dix mécanisms de ségrgation ont été présentés. Lorsque un remblai hydraulique est déposé dans un chantier, il est essentiel de comprendre son mécanisme de ségrégation.Pour le béton ou le remblai hydraulique, trois modes de ségrégation sont généralement observées (Jerabek & Hartman, 1965; Barrett, 1973; Panesar & Shindman, 2012) :
• La portion fluide se dissocie des particules denses;
• Par triage naturel, les particules grossières sédimentent rapidement;
• Les particules fines se déposent tranquillement après fluidisation et laissant une quantité d’eau en surface.
Ces modes de ségrégation rejoignent la ségrégation par fluidisation. Richardson et Zaki (1954) ont montré que la ségrégation par fluidisation suit la loi de Stokes qui prédit la vitesse de chute d’une particule dans un fluide (Stokes, 1901). La force de trainée agissant sur les particules peut être estimée comme suit (Richardson & Zaki, 1954) :
𝐹 = 3𝜋𝜇𝑉𝑐𝑑𝛽𝑡 où F = Force de trainée agissant sur le sphère (N)
μ = Viscosité dynamique du fluide (Pa.s)
Vc = Vitesse de sédimentation de la supension (m/s)
d = diamètre du sphère (m)
βt = Facteur de correction théorique de la loi de Stokes.
Cette force de trainée maintient la particule en suspension et favorise sa fluidisation. Cependant, cette équation a été proposée pour un mélange contenant des particules sphériques uniformes, ce qui n’est pas représentatif des matériaux utilisés dans les chantiers. Kennedy et Breton (1966) ont
62 proposé un modèle plus général en considérant la différence granulométrique des sphères et en divisant le phénomène en deux mécanismes : classification et diffusion. Ils définissent la classification comme la tendance d’un mélange liquide à se séparer en fonction de la densité et de la taille des particules des strates de matériaux. La diffusion devient ainsi le mouvement du fluide et des particules fines à travers les pores des strates de matériaux classifiés. Les grains grossiers sédimentent par leur taille. Cette sédimentation ou consolidation crée des couches de matériaux grossiers à la base du mélange. Ces strates de matériaux grossiers ont une porosité élevée qui facilite le déplacement, le drainage ascendant du fluide et des particules plus fines (Kennedy & Bretton, 1966). Cette hypothèse a ensuite été confirmée par plusieurs études numériques et expérimentales (Gibilaro et al., 1985; Toorman, 1996, 1999; Grasso et al., 2014, 2015).
Figure 2.35 : Mécanismes de ségrégation par fluidisation d’un mélange binaire de densité uniforme (tirée de Gibilaro et al., 1985).
La figure 2.35 présente les étapes de la ségrégation par fluidisation d’un mélange binaire de densité uniforme. Trois stades peuvent être identifiés sur la figure : flocculation, sédimentation et consolidation (Imai, 1981; Pedroni, 2011).
La ségrégarion par fluidisation crée ainsi des strates de matériaux avec des propriétés géotechniques différentes lors de la déposition du remblai hydraulique dans le chantier (Bardill &
Cenis, 1960; Jerabek & Hartman, 1965; Corson, 1966; Bates & Wayment, 1967; Coates & Yu, 1969; Corson, 1970; Barrett, 1973; Dickhout, 1973; Thomas et al., 1979; Barrett & Cowling, 1980; Yu & Counter, 1983; Dudler et al., 1984; Soderberg & Busch, 1985; Scoble & Piciacchia, 1986; Thomas & Holtham, 1989; Scoble, 1991; Fourie et al., 1994; Ouellet et al., 1995; Hassani & Archibald, 1998; Potvin et al., 2005; Martic et al., 2014; Yang, 2016; Liu et al., 2017). Le ciment ou la granulométrie se répartissent alors de façon non homogène dans le chantier. La résistance mécanique du remblai dans le chantier peut être différente d’un endroit à l’autre. Les résistances et la stabilité de la masse du remblai dans le chantier peuvent être mal estimées.
Il est donc très important de comprendre et quantifier la variation des propriétés géotechniques en fonction de la position du remblai hydraulique. C’est objectif principal des travaux présentés dans ce mémoire. Ultimement, on devrait établir un modèle qui permet de décrire la distribution spatiale des propriétés géotechniques d’un remblai hydraulique dans les chantiers.
Dans le chapitre 3, la méthode d’essais et quelques résultats de base sont énumérés. Les résultats principaux ont été présentés dans le chapitre 4 sous la forme d’un article de revue soumis.
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