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7/27/2019 FILTRES GEOTEXTILES DIMENSIONNEMENT ET INSTALLATION FIABLES GEOTEXTILE FILTERS RELIABLE DESIGN AND IN…

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GEOTEXTILES-GEOMEMBRANES rencontres 97

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FILTRES GEOTEXTILES: DIMENSIONNEMENT ET INSTALLATION FIABLES

GEOTEXTILE FILTERS: RELIABLE DESIGN AND INSTALLATION

J P GIROUD

GEOSYNTEC CONSULTANTS

RESUMEIl est possible aujourd’hui de dimensionner et installer les filtres géotextiles de façon fiable comme le montrecette communication.

ABSTRACT

Today, it is possible to design and install geotextile filters with a high degree of reliability, as shown in thispaper.

Le Barrage de Valcros (1970), symbole de la fiabilité des filtres géotextiles.Valcros Dam (1970), a symbol of geotextile filter reliability.

NOTE IMPORTANTE / IMPORTANT NOTE

Texte français / French text, pages 171F – 186F Tables et figures bilingues / Bilingual tables and figures, pages F187 A – F196 A

Texte anglais / English text, pages 171 A – 186 A (after the figures)




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1 INTRODUCTION

1.1 Presque quarante ans d’expérienceVoici presque quarante ans que l’on utilise des filtres géotextiles. Quarante ans de succès et d’erreurs,quarante ans d’expérience qui font qu’aujourd’hui le concepteur et l’utilisateur disposent d’outils

perfectionnés pour dimensionner et sélectionner les filtres géotextiles. Au cours de ces quarante années, ona tantôt encensé les filtres géotextiles, on les a tantôt condamnés. Il y a, dans la filtration, une passion quin’existe pas dans les autres branches de la géotechnique, passion entretenue par les croyancesirrationnelles qui résultent de la difficulté du phénomène de filtration et par la crainte inspirée par le spectredu colmatage. Une armature qui se rompt, c’est comme une jambe cassée, c’est soudain, évident, facile àcomprendre, et le traitement rationnel s’impose. Un filtre qui se colmate, c’est comme une maladiemystérieuse qui se développe lentement, que l’on découvre généralement trop tard, que l’on comprend mal,et pour laquelle il n’y a pas de traitement évident. Et, cependant, la fonction d’un filtre semble si simple!

1.2 Une fonction simple, mais un mécanisme complexeLa fonction d’un filtre dans un ouvrage de géotechnique est de laisser passer l’eau tout en retenant le sol.Autrement dit, un filtre doit jouer deux rôles fondamentaux: laisser passer l’eau et retenir le sol. Il estimportant de noter que l’on dit retenir , non pas arrêter , et que l’on dit le sol, non pas particules de sol. La

fonction d’un filtre dans un ouvrage de géotechnique est différente de la fonction d’un filtre placé en traversd’un fluide qui s’écoule chargé de particules en suspension. Un tel filtre arrête les particules tandis qu’unfiltre placé dans un ouvrage de géotechnique retient le sol, c’est-à-dire l’empêche de se mettre enmouvement. Autrement dit, dans le cas d’un filtre placé en travers d’un fluide chargé de particules ensuspension (air poussiéreux, thé), les particules arrêtées par le filtre s’accumulent petit à petit sur celui-ci (etdonc le colmatent progressivement), alors que, dans le cas du filtre d’un ouvrage de géotechnique, le filtreempêche le sol dans son ensemble de se mettre en mouvement, ce qui fait que la plupart des particulesdemeurent immobiles et, par conséquent, ne s’accumulent pas sur le filtre (et donc ne le colmatent pas). Il ya cependant toujours des particules fines qui se déplacent, entraînées par l’eau: le filtre doit les laisserpasser. Ceci est un aspect essentiel du fonctionnement d’un filtre dans un ouvrage de géotechnique. Larétention ne doit pas être totale: le sol doit seulement être retenu dans son ensemble et, si des particules sedéplacent individuellement, il ne faut surtout pas que le filtre les arrête car il se colmaterait.Il y a, par ailleurs, certaines situations critiques où l’eau, qui s’écoule dans le sol, transporte une grande

quantité de particules en suspension. Un filtre exposé à une telle situation ne peut que se colmater. Il estdonc important d’identifier ces situations et de les éviter par une conception appropriée de l’ouvrage quicontient le filtre : c’est une chose que l’on sait faire et qui sera discutée plus en détail dans la suite de cettecommunication.

1.3 Des méthodes de dimensionnement influencées par la traditionLe dimensionnement d’un filtre se fait traditionnellement à l’aide de deux critères, un critère de perméabilité et un critère de rétention. Ces deux critères correspondent aux deux rôles fondamentaux contenus dans lafonction de filtre: laisser passer l’eau et retenir le sol. Le critère de perméabilité exprime que le filtre estsuffisamment perméable (c’est-à-dire a des ouvertures suffisamment grandes) pour laisser passer l’eaulibrement et le critère de rétention exprime que le filtre a des ouvertures suffisamment petites pour retenir lesol. Cette approche traditionnelle par deux critères fournit au concepteur un outil qui est satisfaisant dans lamajorité des cas. Cependant, cette approche traditionnelle par deux critères tend à masquer la dualité dumécanisme de rétention et une approche traduisant mieux la réalité est décrite ci-dessous.Une réflexion sur la fonction de filtration, telle que décrite au Paragraphe 1.2, montre que ledimensionnement d’un filtre doit répondre à deux exigences opposées (mais non contradictoires) concernantles ouvertures du filtre : (1) le filtre doit avoir des ouvertures assez petites pour retenir le sol dans sonensemble; et (2) le filtre doit avoir des ouvertures assez grandes pour laisser passer l’eau librement et aussi,ce que l’on oublie souvent, pour ne pas arrêter les particules de sol qui sont transportées par l’eau. Laseconde exigence étant double, il en résulte trois critères: un critère de rétention (du sol dans sonensemble), un critère de perméabilité, et un critère de non-rétention (des particules en mouvement). Cetteapproche du dimensionnement des filtres à l’aide de trois critères est plus correcte que l’approche par deuxcritères car elle correspond exactement aux exigences de fonctionnement d’un filtre. On pourrait argumenterque les critères de perméabilité et de non-rétention font double emploi puisque le respect du critère deperméabilité implique que les ouvertures du filtre ne sont pas petites, ce qui entraîne le respect du critère denon-rétention. Ceci est peut-être vrai dans le cas des filtres granulaires mais ne l’est certainement pas dansle cas des filtres géotextiles. En effet, les géotextiles, ayant généralement une très grande perméabilité,




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vérifient pratiquement toujours le critère de perméabilité, même avec des ouvertures très petites, ce qui negarantit pas que ces ouvertures satisferaient le critère de non-rétention.Le critère de perméabilité étant pratiquement toujours vérifié dans le cas des filtres géotextiles, l’effort deconception et dimensionnement doit se concentrer sur la rétention (du sol dans son ensemble) et sur la non-rétention (des particules en mouvement). En conséquence, cette communication ne traitera que desmécanismes et critères de rétention et non-rétention.

1.4 Des modes de dysfonctionnement bien connusIl résulte de la discussion présentée plus haut (Paragraphe 1.2) qu’il y a trois modes de dysfonctionnementd’un filtre: (1) manque initial de perméabilité (c’est-à-dire perméabilité insuffisante du filtre même enl’absence de colmatage) qui se traduit par un passage insuffisant d’eau à travers le filtre; (2) rétentionexcessive qui se traduit par une accumulation de particules fines sur ou dans le filtre, c’est-à-dire lecolmatage; et (3) rétention insuffisante qui se traduit par un transport excessif de particules à travers le filtre(excessif, c’est-à-dire en excès par rapport au transport désirable à travers le filtre des particules qui detoutes façons sont entraînées par l’eau). Ce phénomène de transport de particules a reçu divers nomscomme lessivage ou érosion interne, ainsi que “renard” dans le cas où l’érosion revêt la forme d’unerenardière.Le colmatage réduit la perméabilité du filtre; par conséquent, le colmatage et le manque initial deperméabilité ont les mêmes conséquences: un drainage insuffisant du sol situé à l’amont du filtre, ce qui se

traduit par une teneur en eau élevée du sol (ce qui est indésirable si le but est d’assécher le sol) et par unepression interstitielle élevée (ce qui peut avoir une influence catastrophique sur la stabilité du sol). Letransport excessif de particules peut avoir des conséquences néfastes à l’amont et à l’aval du filtre: àl’amont, le départ de particules peut se traduire par un affaissement du sol et, à l’aval, l’arrivée de particulespeut se traduire par un colmatage du drain, s’il y en a un. On verra au Paragraphe 5.2 que l’importancerelative des différentes conséquences néfastes potentielles que peut avoir un filtre dépendent de l’ouvragedans lequel le filtre est placé.Il est clair que le dysfonctionnement d’un filtre peut avoir des conséquences très néfastes. On peut donc seréjouir de constater qu’il existe aujourd’hui des méthodes fiables pour dimensionner les filtres, en particulierles filtres géotextiles.

1.5 Des progrès remarquables et des outils fiables pour la conception des filtres géotextilesAu cours de ces vingt dernières années, des progrès remarquables ont été faits dans quatre domaines

essentiels concernant les filtres géotextiles: (1) on a appris à identifier, donc à éviter, les sols qui conduisentà de grands risques de colmatage quel que soit le type de filtre utilisé (filtre géotextile ou granulaire); (2) on aappris à intégrer dans les critères de rétention les paramètres importants qui régissent le comportement dusol en contact avec le filtre; (3) on a appris à quantifier les paramètres qui régissent les caractéristiques defiltration des géotextiles, ce qui permet de rationaliser la sélection et la fabrication des filtres géotextiles; et,enfin, (4) on a appris à utiliser les filtres géotextiles correctement, c’est-à-dire à bien les installer et bien lesinsérer dans l’ouvrage, pour qu’ils puissent assurer leur fonction avec un maximum de sécurité.En développant les quatre points ci-dessus, cette communication montre le chemin parcouru ces vingtdernières années, un chemin parsemé d’erreurs mais aboutissant à des connaissances aujourd’hui bienétablies. Il est important de rappeler certaines erreurs qui sont autant de pièges dans lesquels on veut éviterde retomber. Il est essentiel surtout de savoir que les connaissances d’aujourd’hui reposent sur des basessolides et fournissent des outils fiables qui permettent d’utiliser les filtres géotextiles avec une grandesécurité, donc avec une grande confiance.

2 LES SOLS A RISQUES

2.1 Une erreur sur le terrainUn entrepreneur me montrait fièrement ce qu’il croyait être un excellent travail: dans une tranchée drainanteen gravier, il avait placé un tuyau drainant perforé, comme l’indiquait le dessin d’exécution; mais, ce quen’indiquait pas le dessin d’exécution, il avait ajouté un filtre géotextile autour du tuyau (Figure 1). Il avait,disait-il, “amélioré la conception” du système de drainage en ajoutant un filtre. (Bien entendu, à l’origine decette “bonne action”, il y avait le fait que l’entrepreneur avait obtenu ce tuyau équipé d’un filtre géotextile pourun prix inférieur à celui du tuyau spécifié sans filtre géotextile.) J’ai demandé que l’entrepreneur reconstruisela tranchée drainante sans le géotextile autour du tuyau. En effet, le filtre géotextile autour du tuyau étaitinutile et nuisible. Il était inutile parce qu’il n’y avait pas lieu de retenir le gravier qui était trop gros pourrisquer de passer par les perforations du tuyau. Il était nuisible parce que le gravier, comme c’est souvent lecas en tranchées drainantes, n’était pas propre; par conséquent, dès que de l’eau traverserait le gravier endirection du tuyau, elle entraînerait les particules fines présentes à la surface du gravier et les déposerait sur




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ou dans le filtre géotextile. Il faut bien comprendre qu’un filtre, à moins que ses ouvertures soient trèsgrandes, arrête les particules transportées par le fluide qui le traverse: c’est ainsi que fonctionnent les filtresà air, à huile, à thé, etc. En géotechnique, un filtre ne doit jamais, absolument jamais, être dans une situationoù il arrête des particules en suspension dans l’eau: ce filtre se colmatera automatiquement, quelles quesoient ses caractéristiques.

2.2 Sols à granulométrie discont inueLa mésaventure de l’entrepreneur peut s’exprimer d’une manière plus générale en disant que le filtregéotextile était en contact avec un sol à granulométrie discontinue où la fraction fine est en faible proportion.En effet, le gravier sale de la tranchée est un sol dont la courbe granulométrique contient un palier (Figure2), ce qui représente une discontinuité dans la granulométrie; de surcroît, ce palier est très bas, ce quiindique que la proportion des particules fines est faible. Les particules fines, étant en petite quantité,n’occupent pas tout le volume des pores du gravier qui, de ce fait, demeure très perméable. L‘eau peut doncs’y écouler à grande vitesse et entraîner les particules fines. Il est donc clair que l’on ne doit pas placer defiltre en contact avec un sol à granulométrie discontinue où la fraction fine est mobile parce qu’en faibleproportion. La proportion critique de particules fines en dessous de laquelle les particules fines sont mobilesdépend de la granulométrie et de la densité du matériau qui constitue la fraction grossière du sol àgranulométrie discontinue. En première approximation, on peut noter les valeurs suivantes (obtenues à l’aidede calculs élémentaires) pour la proportion critique de la fraction fine: de 24 à 30 % si la fraction grossière a

une granulométrie étroite et une faible densité; de 17 à 23 % si la fraction grossière a une granulométrieétroite et une forte densité; et de 11 à 16 % si la fraction grossière a une granulométrie étendue (Figure 3).

2.3 Instabilité interneLes sols qui contiennent des particules fines qui peuvent se déplacer entre les particules plus grosses sontappelés sols à instabilité interne. Les sols présentant un risque d’instabilité interne sont les sols àgranulométrie discontinue dont on a parlé ci-dessus (Paragraphe 2.2) et les sols à granulométrie continuetrès étendue, c’est-à-dire des sols ayant un coefficient d’uniformité de 50 ou plus, par exemple 100 ou même1000. Dans le cas des sols à granulométrie discontinue il est assez facile de distinguer ceux qui présententun risque d’instabilité interne compte tenu de la proportion de fines, comme on l’a indiqué plus haut(Paragraphe 2.2). En revanche, dans le cas des sols à granulométrie continue mais très étendue il estdifficile de distinguer quantitativement ceux qui présentent un risque d’instabilité interne; toutefois, dans lecas des sols sans cohésion, cela peut se faire d’après la forme de la courbe granulométrique comme l’ont

montré Lafleur et al. (1989).

2.4 Conclusion sur les sols à risquesIl ressort des discussions qui précèdent qu’il y a des sols à risques, les sols à instabilité interne. Il estimportant de savoir que l’on dispose de techniques pour identifier ces sols, comme on l’a montré ci-dessus.Ces techniques peuvent se résumer ainsi: (1) si le sol a une granulométrie discontinue, il est instable si laproportion de la fraction fine est inférieure à une certaine valeur qui dépend de la fraction grossière (voirParagraphe 2.2); et (2) si le sol a une granulométrie continue, il est généralement stable mais il peut êtreinstable si sa granulométrie est très étendue, c’est-à-dire si son coefficient d’uniformité est de 50 ou plus, parexemple 100 ou même 1000.Si l’on est en présence d’un sol qui est clairement instable, il n’est pas question de mettre un filtre en contactavec ce sol. Dans certains cas, cela peut conduire à changer la conception du projet. Si l’on est enprésence d’un sol qui n’est pas clairement instable mais qui est à la limite et pourrait présenter un risqued’instabilité, il est recommandé de faire appel à un expert et il est possible que des essais de filtration enlaboratoire s’avèrent indispensables. Si, enfin, on se trouve en présence d’un sol doué de stabilité interne,on pourra envisager l’utilisation d’un filtre, autrement dit, on pourra considérer que ce sol est “filtrable”. Ilfaudra, bien entendu, pour que le filtre fonctionne correctement qu’il soit dimensionné, sélectionné et mis enplace de façon adéquate, c’est-à-dire en respectant les principes présentés dans les Sections 3, 4 et 5.

3 PRISE EN COMPTE DES CARACTERISTIQUES DU SOL REGISSANT LA RETENTION

3.1 Une première erreur du bon sensLe bon sens indique sans hésitation que, pour retenir les particules d’un sol, un filtre doit avoir toutes sesouvertures plus petites que la plus petite des particules du sol. Il est clair que, dans ces conditions, aucuneparticule de sol ne peut passer à travers le filtre. On a donc une rétention absolue, ce qui semble donner

raison au bon sens. Cependant, un tel filtre aurait beaucoup de chances de mal fonctionner pour les deuxraisons suivantes: (1) le filtre, ayant de très petites ouvertures, aurait une très faible perméabilité et nelaisserait pas passer l’eau librement, ce qui est contraire à l’un des deux rôles fondamentaux d’un filtre; et (2)




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le filtre aurait de fortes chances de se colmater car il capterait les fines particules en mouvement qui, mêmedans le cas d’un sol doué de stabilité interne, existent toujours, du moins au début du fonctionnement dufiltre. (Ce dernier point sera discuté plus en détail plus loin dans ce même paragraphe.)Lorsqu’un sol est filtrable, c’est-à-dire doué de stabilité interne (voir Paragraphe 2.4), les petites particulessont imbriquées dans la structure formée par des particules de dimension supérieure (Figure 4a) et, parconséquent, ne sont pas libres de se déplacer. Il est donc inutile de les retenir. Il convient cependant de

distinguer deux cas: (1) le cas des sols à granulométrie étroite, c’est-à-dire des sols ayant un coefficientd’uniformité entre 1 et 3; et (2) le cas des sols à granulométrie étendue, c’est-à-dire des sols ayant uncoefficient d’uniformité supérieur à 3. Il a été montré que, dans le cas des sols à granulométrie étroite(coefficient d’uniformité entre 1 et 3), il suffit que le filtre retienne les particules les plus grosses pour que lesol soit retenu (Giroud, 1982a). Ces particules les plus grosses forment un “squelette” continu (Figure 4b)qui emprisonne les particules de dimension moyenne; l’ensemble des particules grosses et moyennesforment une structure stable qui emprisonne les particules un peu plus petites, etc.. Il en résulte que, dans lecas des sols à granulométrie étroite, toutes les particules d’une dimension donnée sont complètementemprisonnées dans la structure formée par toutes les particules de dimension supérieure. En revanche,dans le cas des sols à granulométrie étendue (coefficient d’uniformité supérieur à 3), les particules les plusgrosses ne sont pas en quantité suffisante pour former un “squelette” continu (Figure 4c). Le squelette estalors formé par l’ensemble des particules supérieures à une certaine dimension, laquelle dépend ducoefficient d’uniformité du sol; cette dimension est inférieure à celle des plus grosses particules mais elle est

toujours nettement plus grande que la dimension des plus petites particules du sol (Giroud, 1982a). Parconséquent, dans tous les cas, la rétention du sol est assurée par un filtre retenant des particules nettementplus grosses que les particules les plus fines du sol.Il est très important de noter qu’à l’interface entre le sol et un filtre, et au voisinage de cet interface, il y a desparticules qui ne sont pas emprisonnées dans le squelette, comme on le voit sur la Figure 4d, parce que lesquelette est interrompu à l’interface et légèrement désorganisé au voisinage de l’interface. Dès que l’eaucommence à s’écouler, elle entraîne ces particules vers le filtre. Si les ouvertures du filtre sont trop petites,les particules en mouvement sont arrêtées par le filtre et s’accumulent petit à petit sur celui-ci, le colmatantprogressivement. Si, au contraire, les particules en mouvement ont la possibilité de passer à travers le filtre,ce qui est le cas idéal, il se forme dans le sol, au voisinage de l’interface, une zone de perméabilitélégèrement supérieure à celle du reste du sol. Cette zone assure une excellente transition entre le sol et lefiltre.Il est clair, d’après les discussions précédentes, qu’en matière de filtration le bon sens se trompe

lourdement: il n’est pas nécessaire, et il est même généralement nuisible, de retenir toutes les particules desol; au contraire, il faut que le filtre laisse passer certaines petites particules et il lui suffit de retenir lesparticules qui forment le squelette pour assurer la rétention du sol. En retenant le squelette, le géotextile luipermet de jouer le rôle de filtre pour les particules de dimension immédiatement inférieure à celle desparticules du squelette; à leur tour, ces particules jouent le rôle de filtre pour les particules de dimensionimmédiatement inférieure, etc.. En d’autres termes, en assurant la stabilité du squelette, le géotextile agitcomme un catalyseur qui permet au squelette de servir de base à un autofiltre qui se développe dans le solet qui ne pourrait pas se développer si le squelette n’était pas stable. On voit que la filtration est unphénomène trop complexe pour être confié au bon sens.

3.2 Une erreur de la traditionLe fait qu’il suffise de retenir certaines grosses particules pour retenir l’ensemble du sol a été reconnu delongue date en mécanique des sols. Cependant la distinction, importante du point de vue de la filtration,

entre le cas des sols à granulométrie étroite (coefficient d’uniformité entre 1 et 3) et le cas des sols àgranulométrie étendue (coefficient d’uniformité supérieur à 3) n’a pas été faite clairement dans les travauxsur la filtration faits dans le cadre de la mécanique des sols traditionnelle. C’est pour cela que tous lescritères de rétention proposés en mécanique des sols traditionnelle, c’est-à-dire les critères pour les filtresgranulaires, font référence à d85 , c’est-à-dire pratiquement à la dimension des plus grosses particules du sol.Dans le cas des sols à granulométrie très étendue, ceci conduit à des absurdités que les ingénieursgéotechniciens connaissent bien et qu’ils ont pris l’habitude de contourner par des procéduresconventionnelles qui entretiennent un air de mystère autour du dimensionnement des filtres granulaires.À ses débuts, le dimensionnement des filtres géotextiles s’est naturellement inspiré du dimensionnement desfiltres granulaires et a malheureusement hérité des problèmes liés au dimensionnement de ces filtres. Enparticulier, des comités influencés par des ingénieurs géotechniciens attachés aux traditions de lamécanique des sols, ont adopté des critères de rétention pour les géotextiles qui perpétuent les problèmesliés au dimensionnement des filtres granulaires pour les sols à granulométrie étendue. Ce que l’on saitaujourd’hui sur la filtration impose une mise à jour des critères de rétention proposés par certains comitéspour les filtres géotextiles utilisés en présence de sols à granulométrie étendue. On dispose depuis quinzeans de critères de rétention spécialement développés pour les filtres géotextiles et qui résultent d’une




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analyse quantitative basée sur les principes exposés ci-dessus (Paragraphe 3.1). Dans le cas des sols àgranulométrie étendue, ces critères conduisent à un dimensionnement fiable des filtres géotextiles; enrevanche, les critères directement imités des critères pour filtres granulaires peuvent conduire à descatastrophes. Ainsi, il a été montré que, si l’on avait utilisé au Barrage de Valcros un filtre géotextiledimensionné selon certains critères directement imités des critères pour filtres granulaires, le barrage auraitcouru un grave danger d’érosion interne (Giroud, 1988). Comment expliquer autrement que par un aveugle

attachement à la tradition le maintien d’un critère qui aurait conduit, s’il avait été utilisé, à la ruine du Barragede Valcros, le premier barrage construit avec un filtre géotextile?

3.3 Une deuxième erreur du bon sensLe bon sens n’a pas de chance avec la filtration. N’étant qu’un ramassis aléatoire de croyances établies surla base de réflexions simplistes, le bon sens est mal équipé pour fournir des solutions rationnelles à desproblèmes comme la filtration qui requièrent des analyses sophistiquées. D’après le bon sens, pour retenirune particule de sol de dimension donnée, une ouverture de filtre doit être de dimension inférieure à ladimension de la particule (Figure 5a). C’est oublier que les particules de sol sont rarement seules enprésence de l’ouverture d’un filtre et qu’elles forment des pontages tels que certaines particules plus petitesque l’ouverture du filtre ne passent pas (Figure 5b). La stabilité de ces pontages dépend de la cohésion etde la densité du sol. Dans le cas des sols cohérents, comme les argiles, des pontages de l’ordre de 100micromètres, c’est-à-dire comprenant plusieurs dizaines de particules peuvent être stables. Dans le cas des

sols sans cohésion, comme les sables, ou à faible cohésion, comme les silts, des pontages de deux à troisparticules peuvent être stables si le sol est dense, ce qui est souvent le cas dans les ouvrages degéotechnique. Moyennant certaines approximations, il a été montré que, dans le cas des sols denses,l’ouverture du filtre pouvait être égale à deux fois la dimension des particules à retenir (Giroud, 1982a).Cependant, si le sol est dans un état peu dense, ce qui est le cas dans certains ouvrages mal construits oudans des situations difficiles comme, par exemple, les glissements de terrain, il n’y a pas de pontage stableet il faut un filtre dont l’ouverture soit de dimension inférieure à la dimension de la particule à retenir.Les critères de rétention développés spécialement pour les filtres géotextiles tiennent compte de l’effet depontage. Il ne faut donc pas s’étonner de voir que, dans certains cas, ces critères autorisent des ouverturesde filtres plus grandes que la dimension des particules à retenir, au risque de sembler défier le bon sens.

3.4 Conclusion sur la prise en compte des caractéristiques du sol dans les critères de rétentionLes discussions qui précèdent peuvent se résumer ainsi: (1) un filtre géotextile doit être dimensionné pour

retenir les particules qui forment le squelette du sol; (2) la dimension de ces particules dépend de lagranulométrie du sol et elle est donnée directement par les critères de rétention développés spécialementpour les filtres géotextiles; (3) ces critères de rétention tiennent également compte du phénomène depontage des particules dans le cas des sols denses. La Figure 6 présente schématiquement l’esprit descritères de rétention développés spécialement pour les filtres géotextiles. On voit sur cette figure que: (1)dans le cas des sols peu denses (c’est-à-dire les sols où il n’y a pas de pontage des particules de sol audessus des ouvertures du filtre), l’ouverture de filtration autorisée est égale à la dimension des plus grandesparticules du sol si le coefficient d’uniformité du sol est inférieur ou égal à 3 et est inférieure à la dimensiondes plus grandes particules du sol si le coefficient d’uniformité du sol est supérieur à 3 puisque, dans ce cas,les particules qui forment le squelette sont plus petites que les plus grandes particules du sol; et (2) , dans lecas des sols denses, du fait du pontage des particules de sol au dessus des ouvertures du filtre, l’ouverturede filtration autorisée est plus grande que dans le cas des sols peu denses ce qui se traduit par le fait que lacourbe représentant le critère de rétention est alors au-dessus de celle qui correspond au cas des sols peudenses. Ainsi, dans le cas des sols denses, l’ouverture de filtration est plus grande que la dimension desplus grandes particules du sol lorsque le coefficient d’uniformité du sol est supérieur à 5 approximativement,comme le montre la Figure 6.Un exemple de critère de rétention qui tient compte de caractéristiques du sol régissant la rétention est lecritère de Giroud (1982a) présenté dans le Tableau 1 et la Figure 7. La différence d’aspect entre les courbesdes Figures 6 et 7 vient du fait que la dimension de base utilisée pour établir la Figure 6 est la dimension desplus grosses particules de sol (représentées schématiquement par des sphères) alors que, dans la Figure 7,la dimension de base est le d50 du sol (Figure 7a) ou le d85 du sol (Figure 7b). D’un point de vue didactique,il était préférable d’utiliser la dimension des plus grosses particules de sol dans la Figure 6, alors qu’il étaitplus pratique d’utiliser le d50 ou le d85 du sol dans le critère représenté par la Figure 7 car la dimension desplus grosses particules d’un sol n’est pas facile à mesurer avec précision du fait de la présence, toujourspossible, d’une grosse particule erratique.En conclusion, on voit que les critères de rétention actuels développés spécialement pour les filtresgéotextiles sont sophistiqués en ce qui concerne la façon dont ils prennent le sol en compte car ils tiennentcompte de trois caractéristiques du sol régissant la rétention: la dimension des particules (la seule




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caractéristique du sol prise en compte par les critères traditionnels), la forme de la courbe granulométrique(par l’intermédiaire du coefficient d’uniformité) et la densité du sol.

4 PRISE EN COMPTE DES CARACTERISTIQUES DU FILTRE REGISSANT LA RETENTION

4.1 Limitation des critères de rétention actuels

Les critères de rétention actuellement disponibles pour les filtres géotextiles sont très sophistiqués en cesens qu’ils tiennent compte de plusieurs paramètres relatifs au comportement du sol en contact avec le filtregéotextile, mais ils sont moins sophistiqués en ce qui concerne la façon dont ils prennent en compte le filtregéotextile. Un seul paramètre relatif à la fonction du filtre géotextile est pris en compte: l’ouverture defiltration. Ainsi, les critères actuels de rétention considèrent comme équivalents deux géotextiles ayant lamême ouverture de filtration, quand bien même ces deux géotextiles auraient de grandes différences en cequi concerne d’autres caractéristiques susceptibles d’avoir une influence sur leur comportement en tant quefiltre. Par exemple, un tissé mince et un nontissé épais sont considérés comme équivalents, selon lescritères de rétention actuels, s’ils ont la même ouverture de filtration. Il est clair qu’il y a là matière àrecherche et l’on peut prévoir, d’après les résultats encourageants des travaux en cours, qu’un jour ondisposera de critères de rétention sophistiqués qui tiendront compte de plusieurs paramètres importantsrelatifs au filtre géotextile aussi bien que les critères de rétention actuels prennent en compte plusieursparamètres importants relatifs au sol.

Pour pouvoir améliorer les critères de rétention actuels, il faut des connaissances approfondies sur lafiltration par géotextiles. Il est donc intéressant de présenter, dans les paragraphes qui suivent, certainesconnaissances récemment acquises sur le fonctionnement et la structure des filtres géotextiles. Cesconnaissances permettent notamment: (1) de mieux comprendre le mécanisme de filtration des particules desol par les filtres géotextiles (Paragraphes 4.2 à 4.5); et (2) de mettre en évidence les paramètres destructure des filtres géotextiles qui ont une influence sur l’ouverture de filtration (Paragraphe 4.6).

4.2 Caractérisation de la structure des filtres géotextiles: constri ctions et ouverturesLa caractérisation de la structure des filtres géotextiles sera présentée en utilisant l’exemple des géotextilesnontissés. Les concepts ainsi définis s’étendront aisément au cas des géotextiles tissés qui est plus simple.Pour passer à travers un filtre géotextile nontissé, une particule doit passer entre les fibres. On définit uneconstriction comme étant le passage délimité par trois fibres ou plus (Figure 8a) et la dimension d’uneconstriction comme le diamètre de la sphère qui passe juste à travers la constriction (Figure 8b).

Si l’on considère un bloc de matériau nontissé (c’est-à-dire un échantillon tridimensionnel, non pas unéchantillon bidimensionnel comme un géotextile), et si ce bloc est assez grand pour être représentatif, ilcontient un ensemble représentatif des constrictions qui existent dans le matériau nontissé considéré. Cetensemble de constrictions est représenté par une courbe de distribution des constrictions (Figure 8c). Ladimension de la plus petite constriction est désignée par C0 et celle de la plus grande par C100 . On pourraitargumenter que la dimension de la plus petite constriction est C0 = 0 car il y a toujours la possibilité que troisfibres se rencontrent en un même point, délimitant ainsi un passage de dimension nulle. Cependant, dupoint de vue de la filtration, les constrictions de dimension nulle ou très petite ne doivent pas êtreconsidérées car une particule rencontrant une telle constriction ne sera pas arrêtée mais seulement déviéevers une constriction de dimension non nulle. (Les particules ne sont pas tenues de suivre un parcoursabsolument rectiligne et choisissent naturellement le parcours de moindre résistance.)Une particule de sol qui se déplace à travers un filtre géotextile nontissé emprunte un chemin de filtration(Figure 9a) dont le parcours quelque peu tortueux suit en gros une direction perpendiculaire au plan dugéotextile. La particule considérée se déplace à travers le géotextile jusqu’à ce qu’elle rencontre uneconstriction qui est plus petite qu’elle et qui, par conséquent, l’arrête. Bien entendu, si la particuleconsidérée n’est pas arrêtée par une constriction, elle passe à travers le géotextile.Un filtre comprend une multitude de chemins de filtration, et ces chemins sont tous différents. Une particuledonnée peut être arrêtée dans un certain chemin de filtration et peut passer à travers le filtre en suivant unautre chemin. Dans chaque chemin de filtration, il y a une constriction plus petite que les autres: c’est ellequi détermine la dimension des particules qui peuvent traverser le géotextile par ce chemin et on l’appelle laconstriction critique de ce chemin. Dans un chemin de filtration donné, la dimension de la constrictioncritique est l’ouverture du chemin de filtration; en d’autres termes, c’est la dimension de la plus grosseparticule qui peut traverser le filtre géotextile en empruntant le chemin de filtration considéré.Dans un filtre géotextile nontissé, il y a une multitude de chemins de filtration, chacun étant caractérisé parson ouverture. Par conséquent, un filtre géotextile est caractérisé par une courbe de distribution desouvertures (Figure 9b). La dimension de la plus petite ouverture est désignée par O

0 et celle de la plus

grande par O100 . La courbe de distribution des ouvertures est une caractéristique du géotextile et, enparticulier, la plus grande ouverture est appelée l’ouverture de filtration du géotextile ou simplement




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l’ouverture du géotextile. Autrement dit, l’ouverture d’un géotextile est l’ouverture du chemin de filtration quia la plus grande ouverture dans ce géotextile.

4.3 Relation entre constrictions et ouvertures pour différents types de filtres géotextilesIl est important de noter que la courbe de distribution des constrictions est une caractéristique intrinsèque dumatériau qui constitue un géotextile alors que la courbe de distribution des ouvertures est une caractéristique

du géotextile. La relation entre la courbe de distribution des constrictions du matériau qui constitue ungéotextile et la courbe de distribution des ouvertures de ce géotextile dépend de l’épaisseur du géotextile.Pour établir la relation entre ces deux types de courbes, considérons trois géotextiles nontissés d’épaisseursdifférentes, mais fabriqués à l’aide du même matériau nontissé: deux cas extrêmes seront considérés enpremier lieu, le cas d’un géotextile nontissé d’épaisseur nulle et le cas d’un géotextile nontissé d’épaisseurinfinie; puis le cas d’un géotextile nontissé d’épaisseur finie sera considéré.Considérons d’abord un géotextile nontissé hypothétique infiniment mince. Dans ce géotextile, chaquechemin de filtration n’a qu’une constriction. Par conséquent, l’ouverture de chaque chemin de filtration estégale à la dimension de l’unique constriction de ce chemin de filtration. Il en résulte que, dans le cas d’ungéotextile nontissé hypothétique infiniment mince, la courbe de distribution des ouvertures est identique à lacourbe de distribution des constrictions (Figure 10a, courbe 4). Considérons ensuite le cas d’un géotextilenontissé hypothétique infiniment épais. Dans ce géotextile, chaque chemin de filtration contient un nombreinfini de constrictions. Par conséquent, avec ce géotextile, il y a une probabilité de 100% pour que toutes les

dimensions de constrictions se trouvent présentes dans chaque chemin de filtration. Par conséquent,chaque chemin de filtration contient la plus petite constriction, C0 . Lorsqu’un chemin de filtration contient laplus petite constriction, celle-ci est bien entendu la constriction critique. Donc, dans le cas d’un géotextilenontissé hypothétique infiniment épais, tous les chemins de filtration ont la même constriction critique, c’est-à-dire la même ouverture (O0 = On = O100 = Cn ). Par conséquent, la courbe de distribution des ouverturesde ce géotextile est une ligne verticale (Figure 10a, courbe 1). Autrement dit, dans le cas d’un géotextilenontissé hypothétique infiniment épais, tous les chemins de filtration ont la même ouverture qui estl’ouverture du géotextile. Considérons enfin le cas d’un géotextile nontissé d’épaisseur finie. Un calculélémentaire montre que, dans un géotextile nontissé typique, le nombre de chemins de filtration estsupérieur à 100/cm2. Donc, si l’on considère un échantillon suffisamment grand pour être représentatif, ilcontient un nombre très grand (quasi infini) de chemins de filtration. La probabilité pour que l’un d’eux aumoins contienne la plus petite constriction est quasiment 100%. Quand un chemin de filtration contient laplus petite constriction, celle-ci est, bien entendu, la constriction critique, c’est-à-dire l’ouverture du chemin

de filtration. Le chemin de filtration qui a une ouverture égale à la dimension de la plus petite constriction estévidemment le chemin de filtration qui a l’ouverture la plus petite. Autrement dit, O0 = C0 . Dans un cheminde filtration donné, le nombre de constrictions, dans le cas d’un géotextile nontissé typique, n’est pas trèsgrand (par exemple, de 10 à 50). Par conséquent, la probabilité pour que la plus petite constriction soitprésente dans tous les chemins de filtration est bien inférieure à 100%. Il en résulte qu’un certain nombre dechemins de filtration ont une constriction critique (c’est-à-dire une ouverture) plus grande que C0 . La plusgrande valeur que peut avoir une constriction est C100 , donc la plus grande valeur que peut avoir uneouverture est C100 . Cependant, pour qu’un chemin de filtration ait une telle ouverture, il faudrait que toutesles constrictions de ce chemin de filtration soient égales à C100 . Mais, dans un chemin de filtration donné, laprobabilité pour que toutes les constrictions soient égales à C100 est quasi nulle. Par conséquent,l’ouverture maximale que peut avoir un chemin de filtration (c’est-à-dire l’ouverture maximale du filtre) estinférieure à la constriction maximale (O100 < C100 ). La relation ainsi démontrée entre la courbe dedistribution des constrictions et la courbe de distribution des ouvertures d’un géotextile nontissé d’épaisseur

finie est illustrée par la Figure 10b. La courbe de distribution des ouvertures d’un géotextile nontisséd’épaisseur finie est également illustrée dans la Figure 10a par deux courbes correspondant à deuxgéotextiles d’épaisseur différentes, l’un plus épais (courbe 2), l’autre plus mince (courbe 3). Enfin, il estimportant de noter que, dans la Figure 10a, la courbe 4 qui est la courbe de distribution des ouvertures pourle géotextile nontissé infiniment mince est également la courbe de distribution des constrictions communeaux quatre géotextiles nontissés.Le cas d’un géotextile tissé est analogue à celui d’un géotextile nontissé infiniment mince: puisqu’il necontient qu’une constriction par chemin de filtration, la courbe de distribution des ouvertures est identique àla courbe de distribution des constrictions. Il y a cependant une grande différence entre les deux matériaux:la courbe de distribution des constrictions/ouvertures d’un tissé (Figure 11a) est verticale (tissé idéal oùtoutes les ouvertures sont rigoureusement identiques) ou quasi verticale (tissé réel) tandis que celle d’unnontissé infiniment mince (Figure 10a, courbe 4) traduit, par son inclinaison, la variété de dimensions deconstrictions et d’ouvertures dans un nontissé.D’un point de vue didactique, il est intéressant de comparer un géotextile nontissé très épais et un géotextiletissé. Tous deux ont une courbe de distribution des ouvertures presque verticale (Figure 12a pour lenontissé et Figure 11a pour le tissé) et l’on peut supposer, à titre d’exemple, que ces deux géotextiles ont la




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même courbe de distribution des ouvertures, et par conséquent la même ouverture de filtration. Il est trèsimportant de remarquer que, bien qu’étant caractérisés par la même ouverture de filtration, ces deuxgéotextiles retiennent les particules de sol de façon différente. En effet, lorsqu’une particule est retenue parle filtre, elle est retenue à la surface du filtre dans le cas d’un géotextile tissé (Figure 11b), tandis que, dansle cas d’un géotextile nontissé, la particule est retenue, dans le filtre, à un certain niveau qui dépend duchemin de filtration (Figure 12b). On voit donc que deux filtres géotextiles ayant non seulement la même

ouverture, mais aussi la même courbe de distribution des ouvertures, peuvent donner lieu à desmécanismes de filtration différents: ceci est dû au fait que ces deux géotextiles ont des courbes dedistribution des constrictions très différentes, courbe verticale ou quasi verticale pour le tissé (Figure 11a) etcourbe très inclinée pour le nontissé (Figure 12a).Les critères de rétention actuels ne tiennent compte que de l’ouverture du filtre géotextile. On peut concluredes discussions qui précèdent qu’un critère de rétention idéal devrait tenir compte de la courbe dedistribution des ouvertures (au lieu de seulement tenir compte de l’ouverture du géotextile qui n’est que laplus grandes des ouvertures d’un géotextile considéré) ainsi que de la courbe de distribution desconstrictions. Actuellement, un tel critère n’existe pas. On peut cependant utiliser les courbes de distributiondes constrictions et des ouvertures pour analyser qualitativement le mécanisme de filtration et en tirer desenseignements utiles, comme cela est montré dans le paragraphe suivant.

4.4 Analyse du mécanisme de filtration considérant la structure des filtres géotextiles

Considérons les deux courbes définies au Paragraphe 4.2 qui représentent la structure des filtresgéotextiles, la courbe de distribution des constrictions (qui caractérise le matériau dont est fait le géotextile)et la courbe de distribution des ouvertures (qui caractérise le géotextile). Ces deux courbes sont descourbes de probabilités cumulées. Ainsi, la courbe de distribution des constrictions donne la probabilité, PC ,pour qu’une particule de dimension d soit retenue à la surface du géotextile et, corrélativement, laprobabilité, 1− PC , pour que la particule ne soit pas retenue à la surface du géotextile (Figure 13). Lesparticules qui ne sont pas retenues à la surface du géotextile soit sont retenues dans le géotextile soitpassent à travers le géotextile, et c’est la courbe de distribution des ouvertures qui permet de distinguerentre ces deux possibilités: la courbe de distribution des ouvertures donne la probabilité, PO , pour qu’uneparticule de dimension d soit retenue dans ou sur le géotextile et, corrélativement, la probabilité, 1− PO , pourque la particule ne soit pas retenue, c'est-à-dire passe à travers le géotextile (Figure 13). Ainsi, lesprobabilités suivantes peuvent être définies: probabilité pour qu’une particule passe à travers le géotextile,PPASS = 1−PO ; probabilité pour qu’une particule soit retenue dans le géotextile, PIN = PO −PC ; probabilité pourqu’une particule soit retenue sur le géotextile, PON = PC ; et probabilité pour qu’une particule soit retenuedans ou sur le géotextile, PRETAIN = PO = PON + PIN .Quatre cas peuvent être considérés selon la façon dont la dimension, d , de la particule se situe par rapportaux points qui représentent les extrémités des deux courbes, O0 , O100 , C0 , C100 : (1) si d > C100 , la particuleest retenue à la surface du géotextile parce que, dans ce cas, il n’y a pas de constriction plus grande que d (PRETAIN = PON = 1 = 100%, PPASS = 0); (2) si O100 < d < C100 , la particule ne passe pas à travers le géotextileparce qu’il n’y a pas de chemin de filtration avec une ouverture plus grande que d et la particule ou bienreste à la surface du géotextile ou bien pénètre dans le géotextile jusqu’à ce qu’elle rencontre uneconstriction qui l’arrête (PRETAIN = PON + PIN = 1 = 100%, PPASS = 0); (3) si O0 < d < O100 , la particule a lestrois possibilités, elle peut être retenue sur ou dans le géotextile ou elle peut passer à travers le géotextile(PON + PIN + PPASS = 1 = 100%); et (4) si d < O0 , la particule passe à travers le géotextile (PRETAIN = 0, PPASS = 1 = 100%).

4.5 Utilisation des courbes pour comparer les modes de rétention par différents géotextilesOn peut utiliser les probabilités mentionnées ci-dessus et illustrées par la Figure 13 pour comparer le modede rétention d’une particule par différents géotextiles. Pour faire cette comparaison rationnellement, il nefaut pas oublier que la rétention est un mécanisme complexe qui comprend la rétention des particules dusquelette et la non-rétention des particules fines (voir Paragraphe 3.1). Par conséquent, pour faire cettecomparaison, on considérera deux particules: une particule fine de dimension df et une particule du squelettede dimension ds . Pour tenir compte du pontage effectué par les particules du squelette au dessus desouvertures du filtre (Figure 5b), la dimension des particules du squelette sera multipliée par un facteur λ supérieur à 1 (d’où une “dimension corrigée” λ ds).Deux géotextiles nontissés, l’un fin et l’autre épais, sont comparés sur la Figure 14. Pour les besoins de lacomparaison, on suppose que ces deux géotextiles ont la même ouverture de filtration, O100 . Il s’agit d’unesituation typique dans laquelle se trouve le concepteur amené à choisir entre deux géotextiles apparemment

équivalents du point de vue de la filtration. ( Il est important de noter que deux géotextiles ayant desépaisseurs différentes ne peuvent avoir la même ouverture de filtration, O100 , que si leurs courbes dedistribution des constrictions sont différentes, c'est-à-dire s’ils sont constitués de deux matériaux différents.




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Ceci sera discuté plus en détail au Paragraphe 4.6.) On voit sur la Figure 14 qu’une particule de dimensionds telle que sa dimension corrigée est supérieure à l’ouverture de filtration (λ ds > O100 ) est: (1) plussusceptible d’être retenue sur le géotextile dans le cas d’un nontissé mince que dans le cas d’un nontisséépais; et (2) corrélativement plus susceptible d’être retenue dans le géotextile dans le cas d’un nontisséépais que dans le cas d’un nontissé mince. En ce qui concerne la particule fine (df ) on voit sur la Figure 14qu’elle a une plus grande probabilité d’être retenue dans le cas du nontissé mince que dans le cas du

nontissé épais (les deux géotextiles ayant la même ouverture de filtration, O100 ). Cependant, si uneparticule est plus petite que la plus petite ouverture (c'est-à-dire la plus petite des deux valeurs de O0 ) elle aune probabilité de 100% de passer à travers les deux géotextiles.Le concepteur qui utilise la méthode décrite ci-dessus, et illustrée par la Figure 14, doit évaluer lesconséquences des modes de rétention identifiés. À titre indicatif, on peut faire les commentaires suivants:(1) comme cela a été indiqué au Paragraphe 3.1, le filtre doit empêcher les particules du squelette de sedéplacer; cette exigence est mieux satisfaite si les particules du squelette sont retenues sur le filtre que dans le filtre; on voit sur la Figure 14 que cette exigence a plus de chances d’être satisfaite par un géotextile finque par un géotextile épais (si les deux géotextiles ont la même ouverture de filtration); et (2) comme cela aégalement été indiqué au Paragraphe 3.1, certaines particules plus petites que les particules du squelettedoivent passer à travers le géotextile; on voit sur la Figure 14 que cette exigence a plus de chances d’êtresatisfaite par un géotextile épais que par un géotextile fin (si les deux géotextiles ont la même ouverture defiltration) en ce qui concerne les particules de dimension comprise entre le plus petit des deux O0 et O100 ;

cependant, si la dimension de la particule fine est inférieure au plus petit des deux O0 , les deux géotextilessont équivalents.La méthode illustrée par la Figure 14 peut être étendue au cas où la dimension des particules du squelettevarie entre deux limites connues. (Ceci est le cas lorsque la granulométrie du sol varie d’un point à un autre,par exemple suivant la direction longitudinale de l’ouvrage dans lequel on envisage d’utiliser le filtreconsidéré.) Ce cas est illustré par la Figure 15 qui montre que les différentes probabilités de rétention sontproportionnelles aux aires délimitées par les axes et les deux courbes, la courbe de distribution desconstrictions et la courbe de distribution des ouvertures. La Figure 15a illustre le cas où le domaine devariation des dimensions des particules du squelette comprend uniquement des dimensions supérieures àl’ouverture de filtration du filtre considéré (ds > O100 ). Comme on l’a indiqué plus haut, à propos de la Figure14, dans ce cas, les particules du squelette sont alors plus susceptibles d’être retenues sur le géotextiledans le cas d’un géotextile nontissé mince que dans le cas d’un géotextile nontissé épais. La Figure 15billustre le cas où le domaine de variation des dimensions des particules du squelette comprend des

dimensions inférieures à l’ouverture de filtration du filtre considéré (ds < O100 ). Il apparaît que, dans ce cas,la quantité de particules susceptibles de passer à travers le filtre est plus grande dans le cas d’un géotextilenontissé épais que fin.La méthode illustrée par les Figures 14 et 15 peut également être utilisée pour les géotextiles tissés. Dansle cas d’un géotextile tissé, la courbe de distribution des constrictions et la courbe de distribution desouvertures sont identiques et, par conséquent, PRETAIN = PON . De plus, la courbe de distribution desconstrictions/ouvertures est presque verticale et, par conséquent, si les particules du squelette sont pluspetites que l’ouverture de filtration, O100 , elles ont de grandes chances de passer à travers le géotextile.Ainsi, un filtre géotextile tissé est plus sensible qu’un nontissé aux variations de la granulométrie du sol.Les discussions qui précèdent montrent que la combinaison de la courbe de distribution des constrictions etde la courbe de distribution des ouvertures fournit une méthode utile au concepteur de filtre. Seulementquelques exemples d’utilisation de cette méthode ont été présentés; d’autres peuvent être envisagés. Sur labase des exemples présentés, il apparaît qu’il y a certains avantages à utiliser des géotextiles nontissés fins.

Cependant, il faut noter que les exemples ci dessus ne sont que qualitatifs. Pour effectivement utiliser laméthode présentée ci dessus, il faut disposer de données quantitatives sur la courbe de distribution desconstrictions et la courbe de distribution des ouvertures. Ce point est abordé dans le paragraphe suivant.

4.6 Paramètres de structure influant sur l’ouverture des filt res géotextiles nontissésUn modèle théorique de la structure des géotextiles nontissés (Giroud, 1996) a permis d’établir un graphiquedonnant des relations entre les paramètres suivants: l’ouverture de filtration, l’épaisseur du filtre géotextile, lediamètre des fibres et la porosité du géotextile (Figure 16). Ce graphique est en bon accord avec lesrésultats de nombreuses mesures effectuées sur des filtres géotextiles nontissés (Giroud, 1996). Cegraphique donne également une valeur approchée du nombre moyen de constrictions qu’une particule doitfranchir pour traverser un filtre géotextile.Le graphique montre que, pour matériau nontissé caractérisé par sa porosité, les ouvertures de filtration degéotextiles de différentes épaisseurs fabriqués avec ce même matériau nontissé décroissent lorsque l’onconsidère des épaisseurs croissantes (courbes en trait plein sur la Figure 16). Le graphique montreégalement que : (1) le taux de décroissance de l’ouverture de filtration en fonction de l’épaisseur dugéotextile devient très faible (en d’autres termes, les ouvertures de filtration s’approchent d’un palier) lorsque




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l’épaisseur du filtre géotextile est telle que le nombre moyen de constrictions atteint approximativement 25(ce qui correspond à un rapport épaisseur du géotextile/diamètre de fibres de 80 pour une porosité de 0.9);et (2) pour des valeurs du nombre moyen de constrictions inférieur à approximativement 15 (ce quicorrespond à un rapport épaisseur du géotextile/diamètre de fibres de 50 pour une porosité de 0.9)l’ouverture de filtration devient extrêmement grande ce qui indique que les valeurs des ouvertures du filtre(qui correspondent à différents chemins de filtration ) sont très dispersées et que, par conséquent, le filtre est

très hétérogène. (Ceci est en accord avec les comparaisons entre les géotextiles minces et épaisprésentées au Paragraphe 4.5.) Sur la base de ces deux résultats, on peut conclure que, dans le cas d’ungéotextile nontissé: (1) une épaisseur supérieure à 80 fois le diamètre des fibres (pour une porosité typiquede 0.9) ne semble pas apporter d’avantage appréciable en ce qui concerne les caractéristiques du géotextileimportantes pour la filtration ; et (2) une épaisseur inférieure à 50 fois le diamètre des fibres (pour uneporosité typique de 0.9) est déconseillée car le géotextile possède alors des caractéristiques de filtration quipeuvent être hétérogènes.Le graphique donne également une méthode simple pour évaluer la diminution de l’ouverture de filtrationd’un filtre géotextile nontissé due à une réduction d’épaisseur résultant d’une contrainte de compression(courbes en tirets sur la Figure 16). Ceci constitue un outil très utile pour la conception d’un filtre.Finalement, il est intéressant de constater que les asymptotes horizontales des courbes en trait plein de laFigure 16 correspondent au cas d’un géotextile nontissé hypothétique infiniment épais utilisé dans lesdémonstrations présentées dans le Paragraphe 4.3. Par conséquent, la valeur d’ouverture de filtration qui

correspond à l’asymptote horizontale pour chacune des courbes en trait plein de la Figure 16 constitue unevaleur théorique de la plus petite constriction et de la plus petite ouverture pour la valeur de porositécorrespondant à la courbe. Des recherches sont en cours pour développer une méthode pour mesurer ladimension des constrictions des géotextiles nontissés. Il sera intéressant de voir si les valeurs mesuréessont en bon accord avec celles de la Figure 16. D’autre part, le graphique ne fournit pas d’information sur ladimension des plus grandes constrictions car le modèle théorique utilisé n’est pas valable pour les trèsfaibles valeurs du rapport épaisseur du géotextile/diamètre des fibres (par exemple, tGT /df < 10).

4.7 Conclusions concernant les caractéristiques des filtresLes informations fournies dans la Section 4 montrent que des progrès considérables ont été accomplis cesdernières années en ce qui concerne la compréhension du phénomène de filtration par géotextiles et laconnaissance de la structure des géotextiles nontissés. Bien que des recherches complémentaires soientencore nécessaires, il est bon de donner la possibilité aux praticiens d’utiliser les résultats acquis.

On a vu dans la Section 4 que, pour bien comprendre les mécanismes de filtration, il fallait faire appel àl’entière courbe de distribution des ouvertures, et non pas seulement à l’ouverture de filtration, et qu’il fallaitégalement faire appel à la courbe de distribution des constrictions. Les approches de conception de filtresbasées sur ces courbes souffrent pour le moment d’une insuffisance de données quantitatives; cependantles exemples d’utilisation de ces approches présentés dans la Section 4 montrent que l’on peut déjà lesutiliser pour choisir entre deux types de géotextiles qui, sur la base des critères actuels, sont considéréscomme équivalents.En ce qui concerne la structure des géotextiles nontissés, le graphique de la Figure 16 fournit une grandequantité d’informations utiles aux producteurs de géotextiles comme aux concepteurs d’ouvrages. Lesproducteurs noteront, en particulier, l’influence de paramètres comme le diamètre des fibres, la porosité dumatériau nontissé et l’épaisseur du géotextile sur l’ouverture de filtration, ce qui leur permettra d’ajuster leursparamètres de production pour répondre à certaines spécifications de filtres géotextiles. Les concepteursnoteront, en particulier, l’aisance avec laquelle le graphique de la Figure 16 leur permet de prévoir l’ouverture

d’un filtre géotextile nontissé enfoui et comprimé sous des dizaines de mètres de sol.L’épaisseur des filtres géotextiles nontissés est une importante question. L’information fournie par la Section4 peut se résumer en deux points: (1) d’après les données présentées sur la structure des géotextilesnontissés il apparaît qu’il n’est pas souhaitable d’utiliser comme filtre un géotextile nontissé dont l’épaisseurest inférieure à 50 fois le diamètre des fibres et qu’une épaisseur supérieure à 80 fois le diamètre des fibresne semble pas apporter d’avantage appréciable; et (2) l’analyse du mécanisme de filtration réalisée enassociant la courbe de distribution des constrictions et la courbe de distribution des ouvertures montre defaçon qualitative que, dans des cas pratiques typiques, un nontissé mince peut être plus avantageux qu’unnontissé plus épais (un point qui doit faire l’objet d’études plus approfondies, notamment à l’aide donnéesquantitatives supplémentaires sur la structure des géotextiles nontissés). En combinant les deux points ci-dessus, la conclusion qui semble se dégager (en attendant des études plus approfondies) est que, danscertains cas typiques, un filtre géotextile nontissé dont l’épaisseur est entre 50 et 80 fois le diamètre desfibres est un choix défendable.




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5 CONDITIONS DE SUCCES DES FILTRES GEOTEXTILES DANS LEURS APPLICATIONS

5.1 Un dimensionnement adéquat est nécessaire mais n’est pas suffisantLes Sections 3 et 4 présentent des méthodes éprouvées et fournissent des informations nouvelles quipermettent à l’ingénieur d’effectuer un dimensionnement fiable des filtres géotextiles. Cependant, il estimportant de comprendre qu’un dimensionnement exécuté comme un exercice abstrait qui consisterait

uniquement à mettre en oeuvre les méthodes présentées dans les Sections 3 et 4 serait insuffisant pour aumoins trois raisons. Premièrement, il y a généralement plusieurs options possibles pour dimensionner unfiltre et, il faut évaluer l’impact de l’option choisie sur l’ouvrage dans lequel le filtre sera utilisé.Deuxièmement, un filtre géotextile doit être mis en place correctement et cela est plus subtil qu’il n’y paraît àpremière vue. Troisièmement, un filtre géotextile doit résister à une variété de sollicitations physiques,mécaniques et chimiques, au cours de son installation et en service, pour pouvoir assurer sa fonction jusqu’àla fin de la durée de service de l’ouvrage.En développant les trois points ci-dessus, les paragraphes suivants montrent que l’on a aujourd’hui unevision claire de ce qui fait le succès d’un filtre géotextile non seulement sur le papier, mais aussi sur leterrain, et non seulement le jour où l’on conçoit l’ouvrage, mais aussi pendant toute la durée de service.

5.2 Le filtre géotextile dans l’ouvrage qui l’environneUn filtre n’est jamais seul. Il est toujours situé entre deux matériaux qui eux-mêmes font partie d’un ouvrage.

La conception d’un système de filtration ne peut se faire correctement que si les interactions entre le filtre etles matériaux adjacents ainsi qu’entre le filtre et l’ouvrage sont prises en compte. Plusieurs aspects doiventêtre considérés: (1) les problèmes potentiels posés par les sols situés à l’amont du filtre; (2) les conditionsimposées par les matériaux situés à l’aval du filtre; (3) les problèmes susceptibles de résulter dechangements de caractéristiques des sols dans la direction longitudinale de l’ouvrage; et, enfin, (4) les effetsnéfastes que pourraient avoir la présence d’un filtre géotextile sur le comportement de l’ouvrage. Ces quatreaspects sont discutés ci-dessous.Les sols situés à l’amont du filtre sont susceptibles de poser des problèmes très sérieux comme cela a étédiscuté à la Section 2. En résumé: (1) il y a des sols à instabilité interne qui empêchent le bonfonctionnement de tout filtre; (2) il est donc important de ne pas placer de filtres en présence de ces sols, aubesoin en utilisant d’autres sols ou en changeant la conception de l’ouvrage où le filtre doit être utilisé; et (3)l’on dispose aujourd’hui de méthodes pour identifier ces sols, ce qui fait qu’il est possible d’éviter lesproblèmes qu’ils peuvent poser. Il est important que ce message soit reçu et compris non seulement par les

concepteurs, mais aussi par les entrepreneurs. Il faut se rappeler, en effet, l’excès de zèle, décrit auParagraphe 2.1, de l’entrepreneur qui croyait bien faire en ajoutant un géotextile. Il faut s’assurer que lesentrepreneurs soient bien informés des conséquences néfastes que peuvent avoir les géotextiles qui ne sontpas à leur place. Cette information permettra aux entrepreneurs de comprendre qu’il n’est pas question detenter sur le terrain d’apporter des “améliorations” à la conception qui ne sont pas approuvées par leconcepteur, surtout si ces “améliorations” sont inspirées par le ”bon sens” qui est déjà responsable de bienassez d’erreurs.Les sols ou autre matériaux situés à l’aval du filtre, s’ils ne sont pas, en général, susceptibles de poser desproblèmes pour le fonctionnement du filtre aussi sérieux que ceux posés par les sols situés à l’amont, sontcependant souvent en mesure d’imposer des conditions qui peuvent influer sur le choix du filtre. Parexemple, si le matériau drainant situé immédiatement à l’aval du filtre est un géosynthétique du type treillis(ou analogue), c’est-à-dire un matériau mince (en comparaison d’une couche de gravier), et si le sol situé àl’amont contient des particules fines susceptibles de migrer , il est essentiel que le filtre ne laisse pas passerbeaucoup de particules fines car le géosynthétique drainant, du fait de sa minceur, n’a pas besoin debeaucoup de fines pour se colmater. Dans un tel cas, la meilleure solution est, si cela est possible, derecommander que le sol situé à l’amont du filtre soit remplacé par un sol qui ne contienne pas de finessusceptibles de migrer. Si cela n’est pas possible, l’ingénieur qui conçoit le système de filtration peut: soit(1) remplacer le géosynthétique drainant par une couche de gravier (suffisamment épaisse pour contenir,sans perte de transmissivité appréciable, toutes les particules fines susceptibles de migrer en provenance dusol amont) ou par un tuyau perforé que l’on peut nettoyer; soit (2) choisir un filtre qui arrête un grand nombrede particules fines (et, par conséquent, a tendance à se colmater) pour protéger le géosynthétique drainant.Cette dernière solution n’est possible que si l’ingénieur a déterminé que le colmatage du filtre (du moins uncolmatage partiel) était acceptable (c’est-à-dire ne risquerait pas d’entraîner de conséquence inacceptablepour l’ouvrage). Bien entendu, la discussion ci-dessus n’est applicable que si le sol situé à l’amont du filtrecontient des fines susceptibles de se déplacer; dans les autres cas, un géosynthétique drainant constitueune solution viable. Une autre condition imposée par un géosynthétique drainant est que le filtre ne soit pastrop épais et compressible pour ne pas pénétrer, sous l’effet des contraintes normales, de façon significativedans les creux du géosynthétique drainant afin de maintenir la transmissivité hydraulique de ce dernier à unniveau acceptable. Cette condition sur l’épaisseur et la compressibilité du filtre est, dans de nombreux cas




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pratiques, en conflit avec d’autres considérations relatives au choix du filtre géotextile; dans de tels cas,l’ingénieur doit faire un choix ou un compromis. Un autre exemple de matériau situé à l’aval du filtre est celuides tuyaux perforés: dans les cas où un filtre géotextile est requis autour d’un tel tuyau, le géotextile choisidoit avoir une transmissivité suffisante pour conduire l’eau vers les perforations du tuyau. Ces nombreuxexemples montrent qu’il est important, lors de la conception d’un système de filtration, de tenir compte dumatériau situé à l’aval du filtre.

Le sol situé en amont d’un filtre peut avoir des caractéristiques qui changent le long de la directionlongitudinale de l’ouvrage: c’est un point important que l’on a tendance à oublier car, lorsque l’on fait laconception d’un système de filtration, on considère en général une section transversale de l’ouvrage sans sepréoccuper de ce qui se passe dans l’autre direction. Le problème de la variation des caractéristiques du soldans la direction longitudinale se pose dans de nombreux cas de systèmes de filtration situés dans desterrains naturels comme les drains routiers et les protections de berges. Pour des raisons pratiques, il estpréférable de ne spécifier qu’un type de filtre pour un système de filtration donné, à moins que lescaractéristiques du sol ne varient de façon excessive d’un point à un autre. Comme on l’a montré auParagraphe 4.5, on peut utiliser les méthodes décrites dans cette communication pour choisir un type defiltre géotextile qui aura plus de chances qu’un autre de fonctionner de façon satisfaisante en dépit devariations des caractéristiques du sol dans certaines limites.Les effets néfastes que pourraient avoir la présence d’un filtre géotextile sur le comportement de l’ouvragedoivent être considérés avec soin. En particulier, il faut évaluer les conséquences que pourraient avoir un

dysfonctionnement, même léger, du filtre. Par exemple, une diminution de perméabilité du filtre due aucolmatage n’aura pas les mêmes conséquences dans un barrage et dans un ouvrage de stockage dedéchets. Par ailleurs, il ne faut pas oublier que tout géosynthétique qui remplit, de façon satisfaisante ounon, une fonction quelconque (filtration, par exemple) dans un ouvrage peut avoir un effet nuisible surcertains aspects du comportement de l’ouvrage qui sont étrangers à la fonction qu’il remplit. Par exemple,un filtre géotextile peut constituer une surface de glissement potentielle susceptible de diminuerdangereusement le facteur de sécurité concernant la stabilité d’un ouvrage. Il est donc essentiel que cesproblèmes potentiels soient présents à l’esprit des concepteurs de systèmes de filtration: on doit nonseulement éviter, lors de la conception, les situations dangereuses où ces problèmes pourraient se produire,mais on doit aussi, ce qui est plus subtil et requiert de la part des concepteurs une expérience de chantier,rédiger des spécifications qui découragent les excès de zèle des entrepreneurs. En effet, on a vu desentrepreneurs étendre des géotextiles au delà de la limite spécifiée croyant bien faire en laissant, au lieu dela couper, une longueur excessive de géotextile à la fin d’un rouleau sans imaginer que, ce faisant, ils

créaient un problème affectant le comportement de l’ouvrage.

5.3 Une mauvaise installation peut empêcher le meilleur fil tre géotextile de fonc tionnerUne des raisons du succès des filtres géotextiles est, on le sait pour l’avoir entendu souvent, la facilitéd’installation. En effet, les exemples ne manquent pas: installer un filtre granulaire sur une pente raide estdifficile, voire impossible, tandis qu’installer un filtre géotextile est si facile; installer un filtre en sable dansune tranchée drainante en gravier est quasiment impossible, tandis qu’installer un filtre géotextile est sifacile; placer un filtre granulaire contre un géosynthétique drainant est absurde car il faudrait un filtre graduédont l’épaisseur et la capacité drainante excéderaient celles du géosynthétique drainant, tandis qu’installerun filtre géotextile contre un géosynthétique drainant est si facile. Qui aurait pensé, il y a quarante ans,qu’installer un produit synthétique deviendrait si naturel ? On a également loué à juste titre le fait que lesgéotextiles ont des caractéristiques plus constantes que celles des matériaux granulaires du fait desméthodes modernes de contrôle de qualité utilisées lors de la fabrication des géotextiles: on a pu en

conclure logiquement que les géotextiles sont des filtres plus fiables que les matériaux granulaires, uneimportante conclusion quand on sait combien la fiabilité est essentielle en matière de filtration. Il est clair que les filtres géotextiles sont généralement faciles à installer. Cependant, il est essentiel quel’installation soit telle que le filtre géotextile puisse jouer les deux rôles fondamentaux qu’implique sa fonction(voir Paragraphe 1.2): le géotextile doit être installé de façon telle qu’il laisse passer l’eau et qu’il retienne lesol. En premier lieu, un filtre géotextile ne doit pas subir de réduction de perméabilité en cours d’installation.Pour cela, il doit être stocké et mis en place à l’abri de la poussière et, surtout, de la boue. On peutégalement choisir un filtre géotextile qui sera décolmaté relativement facilement par le premier courant d’eauqui le traversera s’il a été colmaté par de la poussière ou de la boue en cours d’installation: des recherchessont en cours à ce sujet (Artières et Faure, 1997). En second lieu, le filtre géotextile doit être placé de façontelle qu’il assure la rétention du sol, un important point qui fait l’objet de la discussion qui suit.Comme on l’a vu au Paragraphe 3.1, pour assurer la rétention d’un sol, un filtre doit empêcher les particulesqui constituent le squelette du sol de se déplacer et, comme on l’a vu au Paragraphe 2.1, un filtre dans unouvrage de géotechnique ne doit jamais être dans une situation où il arrête des particules en mouvement.Pour ces deux raisons, il est évident que le filtre doit être en contact intime avec le sol, ce que l’auteur decette communication a toujours recommandé (Giroud, 1982b; 1989). On ne saurait trop insister sur ce point




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qui est absolument essentiel. Deux cas doivent être considérés selon que le filtre est mis en place avant ouaprès le sol situé à l’amont. Si le filtre géotextile est mis en place d’abord, le sol doit être compacté sur oucontre le filtre, ce qui est facile mais doit être exécuté avec grand soin pour ne pas endommager legéotextile. Si le filtre géotextile est mis en place après le sol, ce qui est bien entendu le cas si le sol est le solnaturel, la mise en place du filtre géotextile doit être faite avec grand soin pour assurer un contact intimeentre le géotextile et le sol. Deux conditions doivent alors être respectées: (1) le filtre géotextile doit être

suffisamment souple pour s’adapter aux irrégularités de la surface du sol et les déformations du géotextilerequises pour permettre l’adaptation à la surface du sol ne doivent affecter les ouvertures du filtre que defaçon négligeable; et (2) le matériau situé en aval du filtre géotextile doit exercer sur ce dernier unecontrainte de compression élevée et uniforme pour presser le géotextile contre le sol. Dans le cas d’unetranchée, un gravier de petite dimension (par exemple 20 mm ou moins) convient en général (Figure 17a)pourvu que le géotextile soit souple, tandis qu’un gros gravier (Figure 17b) et l’âme rigide d’un draingéocomposite (Figure 17c) ne conviennent pas en général (parce qu’ils n’exercent pas une contrainte decompression uniforme). Dans le cas d’une protection de berge, il est recommandé de placer une couche degravier (Figure 18) sur le filtre géotextile pour exercer une contrainte uniforme afin d’assurer le contact intimeentre le géotextile et le sol. Cette couche de gravier a également le mérite de protéger le géotextile contrel’endommagement mécanique pendant la pose des blocs et contre le rayonnement ultraviolet passant entreles blocs. Il est possible qu’un filtre soit nécessaire entre la couche de gravier et les blocs pour empêcher legravier d’être lessivé entre les blocs par l’action des vagues (Figure 18).

Bien entendu la condition de contact intime avec le sol implique que le filtre géotextile soit continu, c’est-à-dire n’ait pas de trous: ceci impose que le filtre géotextile soit mis en place avec des recouvrementssuffisants et suffisamment bien conçus pour ne pas s’ouvrir pendant la construction ou ensuite sous l’effet dedéformations dues aux charges appliquées; ceci impose également que le filtre géotextile résiste auxsollicitations mécaniques, physiques et chimiques qui pourraient l’endommager, ce qui est discuté auparagraphe suivant.

5.4 Le filtre géotextile doit résister aux sollici tations susceptibles de l’endommager ou de ledéformerUn filtre géotextile doit résister à une variété de sollicitations mécaniques, physiques et chimiques quipeuvent avoir deux types d’effets néfastes: (1) elles peuvent endommager le filtre géotextile; et/ou (2) ellespeuvent déformer le filtre géotextile, ce qui peut causer une modification de ses ouvertures. Ces deux typesd’effets néfastes sont discutés ci-dessous.

Les sollicitations mécaniques susceptibles d’endommager un filtre géotextile se manifestent principalementen cours de construction et peuvent résulter de deux types de causes: (1) l’action directe des engins deconstruction (par exemple, la déchirure d’un géotextile par la lame d’un bulldozer); et (2) les contraintesconcentrées liées à la grosseur et l’angularité des particules de sol en contact avec le géotextile et résultantdes charges appliquées. Ces charges sont les charges dynamiques dues à la circulation des engins sur lacouche de sol située sur le géotextile et les charges statiques dues au poids des sols progressivementplacés sur le géotextile. Les actions mécaniques mentionnées ci-dessus peuvent causer une rupture dugéotextile par perforation, déchirure, arrachement ou éclatement. Il existe des essais normalisés quireproduisent ces quatre modes de rupture. Des études systématiques ont permis d’établir des corrélationsentre les résultats de ces essais et la résistance des géotextiles aux contraintes d’installation. Ainsi ont étéétablis des “critères de survivabilité” relatifs à différents cas d’installation. Les résultats d’essais deperforation, déchirure, arrachement et éclatement réalisés sur un géotextile donné doivent montrer que legéotextile a une résistance supérieure à celle spécifiée dans les critères de survivabilité.

Un filtre géotextile peut être endommagé en cours de construction (et ensuite, s’il n’est pas recouvert d’unecouche de sol) par l’action du rayonnement ultraviolet de la lumière solaire qui, après une période deplusieurs semaines à plusieurs mois selon le type de géotextile, peut se traduire par des trous de plusieurscentimètres carrés dans le filtre géotextile (Tisinger et al., 1994). Certains produits chimiques peuvent avoirun effet similaire. En cours de service, un géotextile peut être endommagé par abrasion s’il est exposé àdes action répétées (mouvement des blocs dû à l’action des vagues dans le cas des filtres géotextilesutilisés en protection de berge, passage de trains dans le cas des filtres géotextiles utilisés en voies ferrées)ou s’il est exposé au vent. Il faut noter que la résistance d’un géotextile à l’abrasion est fonction, entreautres, de la grosseur de ses fibres, ce qui peut être en contradiction dans certains cas avec la nécessitéd’utiliser des fibres de petit diamètre pour obtenir une petite ouverture de filtration, comme l’indique legraphique présenté à la Figure 16.Toutes les sollicitations mécaniques, physiques et chimiques décrites ci-dessus se traduisent par unendommagement du géotextile sous forme de trous qui, bien entendu, empêchent le géotextile de remplircorrectement sa fonction de filtre. En plus de ces actions destructives, il faut considérer les déformationscausées par les contraintes qui existent dans tous les ouvrages de géotechnique. Du point de vue de lafiltration, on s’intéresse aux déformations qui sont susceptibles de causer des modifications des ouvertures




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des filtres géotextiles. Il convient des distinguer les contraintes de compression et de traction. En ce quiconcerne les contraintes de compression, il est clair qu’elles doivent avoir très peu d’effet sur les géotextilesqui sont très peu compressibles comme les tissés et les nontissés thermoliés. En revanche, elles ont uneffet marqué sur les nontissés aiguilletés. Ces derniers sont compressibles et, par conséquent, leurépaisseur diminue quand la contrainte de compression augmente. Il en résulte une diminution desouvertures du filtre. Cet effet peut être quantifié à l’aide du graphique donné dans la Figure 16 (Giroud,

1996). L’effet des contraintes de traction est au contraire mal connu, ce qui est fort regrettable car cescontraintes peuvent être localement élevées, notamment là où le filtre géotextile se déforme pour s’adapteraux irrégularités de la surface du sol. Quelques essais ont été cités dans la littérature, mais, à laconnaissance de l’auteur, aucune étude systématique ne permet de tirer des conclusions claires. Sur le planthéorique ont peut tenter de suggérer les raisonnements suivants: (1) en cas de traction bidirectionnelle, lesouvertures devraient s’allonger dans le sens des deux contraintes de traction et, dans le cas d’un nontisséépais, se rétrécir dans la direction perpendiculaire (c’est-à-dire la direction normale au plan du géotextile);par conséquent, on peut en conclure qu’une contrainte de traction bidirectionnelle devrait avoir pour effetd’augmenter la dimension des ouvertures dans le cas des matériaux minces (bidimensionnels) comme lestissés et les nontissés thermoliés, mais on ne peut tirer aucune conclusion dans le cas matériaux épais(tridimensionnels) comme les nontissés aiguilletés; et (2) le cas de traction unidirectionnelle est beaucoupplus complexe; si la traction unidirectionnelle était exercée sur une petite éprouvette, les ouverturesdevraient s’allonger dans le sens de la contrainte de traction et se rétrécir dans la ou les directions

perpendiculaires; par conséquent, du point de vue de la filtration, puisque c’est la plus petite dimension d’uneouverture qui régit le passage d’une particule, on peut en conclure qu’une contrainte de tractionunidirectionnelle exercée sur une petite éprouvette devrait avoir pour effet de diminuer la dimension desouvertures; en réalité, le géotextile ne constitue pas une “petite éprouvette” et une zone de tractionunidirectionnelle entraîne, dans son voisinage, la formation de zones de traction bidirectionnelle où lesouvertures du filtre ont tendance à diminuer ou s’agrandir, selon le type de géotextile, comme cela a étéexpliqué plus haut. Il serait souhaitable que des essais systématiques soient réalisés pour vérifier si lesraisonnements suggérés ci-dessus sont conformes à la réalité.

6 CONCLUSION

6.1 Une expérience considérable et une connaissance profonde du phénomènePrès de quarante ans après la première utilisation d’un filtre géotextile, on dispose d’une expérience

considérable qui découle de l’utilisation de filtres géotextiles dans des milliers d’ouvrages. Quelques uns, quiont connu des problèmes, nous ont appris ce qu’il ne fallait pas faire; tant d’autres, par leur succès, nousrappellent que les filtres géotextiles sont aujourd’hui une technique fiable. La communauté internationaledes ingénieurs et chercheurs a été remarquablement active, analysant non seulement les problèmes, maisaussi les succès — il suffit de voir le nombre d’études publiées sur le Barrage de Valcros pour s’enconvaincre — contribuant ainsi à développer une somme d’expérience bien plus approfondie que celle quiconsisterait seulement à accumuler des récits de cas. Cependant, s’agissant d’un phénomène aussicomplexe que la filtration, l’expérience, si considérable soit elle, ne suffit pas. La majorité des erreurscommises dans l’utilisation des filtres géotextiles provient d’un manque de compréhension du phénomèneplutôt que de matériaux défectueux. Une réflexion profonde sur la nature du phénomène est doncnécessaire. Il se trouve que la filtration a, de tout temps, fasciné l’esprit humain. L’invention du tamis, parexemple, a été une des plus brillantes manifestations de l’éveil de l’intelligence, car elle a nécessité uneremarquable démarche intellectuelle maîtrisant la relation complexe entre le but et l’outil (séparationd’éléments tridimensionnels discrets par un outil bidimensionnel continu formé d’éléments unidimensionnels)et imposant à l’utilisateur un mode d’emploi très strict sans le respect duquel le but ne peut être atteint fauted’obéir aux lois physiques qui régissent le passage des particules à travers un orifice. On a appris, depuis, àreconnaître qu’il y a différents types de filtration et que, par exemple, le phénomène de filtration d’un sol dansun ouvrage de géotechnique est radicalement différent du phénomène du passage des particules à traversun tamis. Ainsi, on a appris que la rétention d’un sol ne consistait pas à “arrêter” les particules de sol, mais àles empêcher de se déplacer, et encore pas toutes: on a appris qu’il suffisait d’empêcher certaines particulesde se déplacer, les particules qui forment le “squelette” du sol, pour que celles-ci à leur tour assurent laformation d’un autofiltre qui retiendra le sol. On a aussi appris que, pour retenir le sol tout en laissant passerl’eau, il était indispensable de laisser passer certaines particules de sol. Autrement dit, on a appris que larétention du sol dans son ensemble devait s’accompagner de la non-rétention de certaines particules.On a aussi appris à utiliser, dans les sols, des filtres à structure plus complexe que celle des tamis, lesgéotextiles nontissés; en fait, la structure des géotextiles nontissés est comparable par son caractère quasialéatoire à celle du sol et le rôle de la troisième dimension, l’épaisseur, dans le fonctionnement d’un élémentessentiellement bidimensionnel comme un filtre est un défi pour l’esprit d’aujourd’hui aussi formidable quecelui présenté par le concept du tamis pour notre ancêtre. Ce défi a été relevé en grande partie et l’on a




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appris que la notion d’épaisseur d’un filtre géotextile n’a de réelle signification que rapportée au diamètre desfibres: une valeur minimale du rapport épaisseur/diamètre est requise pour assurer l’homogénéité du filtregéotextile nontissé, mais une grande valeur de ce rapport peut être défavorable. D’une manière plusgénérale, on a appris à quantifier l’influence de paramètres de structure des géotextiles sur leurcaractéristiques de filtration, ce qui est un guide très précieux pour les producteurs de géotextiles. On peutespérer que cela suscitera la production de nouveaux filtres géotextiles.

6.2 Des méthodes et produits f iables pour l’utilisateurS’il est réconfortant pour l’utilisateur de savoir que la filtration est une science bien établie et non pas un artmystérieux, cela n’est pas suffisant. L’auteur de cette communication le sait bien qui est avant tout uningénieur praticien. L’utilisateur veut pouvoir compter sur des produits fiables et a besoin de méthodesfiables pour les utiliser.Il y a deux façons pour un produit d’être fiable: dans sa constitution et dans son comportement. Un produitmis à la disposition de l’utilisateur doit obéir à des spécifications rigoureuses, et personne ne contestequ’avec les méthodes modernes de contrôle de qualité, les filtres géotextiles sont plus fiables que les filtresnaturels granulaires (sable ou gravier). Pour être fiable dans son comportement, un filtre ne doit pas êtretrop sensible aux variations des conditions dans lesquelles il est utilisé. On a vu, dans cette communication,que l’on dispose aujourd’hui de méthodes pour choisir un filtre géotextile qui soit moins sensible qu’un autreaux variations de caractéristiques du sol ainsi que pour choisir un filtre géotextile qui ne souffre pas de façon

excessive des contraintes d’installation et de service. En ce qui concerne l’utilisation des filtres géotextiles, cette communication a montré que l’on disposait deméthodes fiables pour la conception, le dimensionnement et la mise en place. Au niveau de la conception,on sait aujourd’hui identifier, et donc éviter, les sols dangereux qui empêchent les filtres de fonctionner dansles ouvrages de géotechnique; et il est important de noter que cette information a été disséminée dans despublications accessibles aux concepteurs modernes et citées dans la Section 2 de cette communication.Au niveau du dimensionnement, on dispose aujourd’hui de critères de rétention qui tiennent compte nonseulement de la dimension des particules du sol mais aussi d’autres caractéristiques du sol qui régissent larétention, comme on l’a montré à la Section 3 de cette communication. Il est regrettable que le poids destraditions ait empêché jusqu’à présent certains comités de recommander de tels critères. Les utilisateursattendent des directives de la part des comités dont la mission est de les guider. Pour les comités dontl’action passée a été inspirée par la tradition, un aggiornamento s’impose à la lumière des progrèsconsidérables qui ont été faits dans le domaine de la filtration ces vingt dernières années. De ce point de

vue il est intéressant de constater que, tandis que la tradition impose de toujours se tourner vers lagéotechnique pour chercher l’inspiration ou l’information, c’est l’essor donné à la filtration par le succès desgéotextiles qui a fourni la motivation pour les recherches les plus fécondes en matière de filtration ces vingtdernières années. C’est donc au sein même de la communauté de ceux qui s’intéressent auxgéosynthétiques que l’on peut avoir accès à l’information utile. Fort heureusement, c’est une communautébien organisée où l’information circule. Il faut aussi noter qu’en plus des méthodes éprouvées qui permettentd’effectuer un dimensionnement adéquat des filtres géotextiles cette communication a présenté dans laSection 4 des résultats de recherches récentes qui fournissent des informations utiles pour la conception dessystèmes de filtration dans certains cas délicats ainsi que pour la sélection des filtres géotextiles.Au niveau de la mise en place, on trouve dans la Section 5 des recommandations concernant les conditionssur le terrain qui peuvent avoir un impact sur la performance des filtres. En particulier, on n’insistera jamaisassez sur l’importance d’un contact intime entre le filtre géotextile et le sol. Par conséquent, on ne peut querecommander de choisir un filtre géotextile qui s’adapte bien aux irrégularités du sol.

6.3 Une vision lucide de la complexité du phénomène de filtrationEn dépit de l’effort qui a été fait dans cette communication pour présenter le sujet de la filtration de façonsimple, il n’en reste pas moins que la filtration du sol dans un ouvrage de géotechnique est un phénomènecomplexe. Il faut donc se méfier de toute approche qui n’est pas rigoureuse. S’il est légitime de la part del’utilisateur de vouloir des méthodes simples, il ne faut pas cependant lui donner des méthodes simplistes.C’est un point que les comités devront avoir en mémoire lorsqu’ils procéderont à l’aggiornamento sinécessaireMais, s’il faut être conscient de la complexité inhérente à la filtration, il ne faut pas que ce soit une raison ouun prétexte pour se détourner des filtres géotextiles. Malheureusement, face à la complexité, certains ontune réaction négative. Il y a ceux qui se retranchent derrière le bon sens qui donne l’illusion de la simplicitéou la tradition qui donne l’illusion de la sécurité. Il y a ceux qui sont désorientés de ne pas trouver dans ledomaine de la filtration le confort que les mathématiques apportent dans d’autres domaines. Il y a ceux quipensent que le mécanisme de filtration par géotextiles est trop subtil pour être fiable et qui ne veulent pasprendre le risque d’utiliser une technique où la différence entre le succès et l’échec leur semble tenir à peude chose (ce qu’il est tentant de paraphraser ainsi: en matière de filtration avec géotextiles, la différence




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entre ce qui passe et ne passe pas ne tiendrait qu’à un fil ). Il y a aussi ceux qui ne veulent pas prendre lerisque d’utiliser des filtres géotextiles hantés qu’ils sont par le spectre du colmatage. Aujourd’hui, comme onl’a montré dans cette communication, cette complexité qui fait peur à certains est maîtrisée: on sait faire leschoix qui régissent la différence entre le succès et l’échec d’un filtre et, en particulier, on dispose desmoyens requis pour éviter le colmatage ainsi que les autres modes potentiels de dysfonctionnement desfiltres géotextiles. La lecture de cette communication devrait convaincre ceux qui ne veulent pas prendre le

risque d’utiliser un filtre géotextile qu’ils se privent d’une technique susceptible d’être plus fiable que latechnique traditionnelle qu’ils préfèrent utiliser. On peut ainsi conclure que, dans l’état actuel desconnaissances, ceux qui ne veulent pas prendre le risque d’utiliser des filtres géotextiles prennent plus derisques en n’en utilisant pas.

6.4 Un dernier motLa filtration cache des mécanismes complexes derrière une façade de simplicité. Quelle proie idéale pour lebon sens qui ne se repaît que d’impressions et arrive avec sa cohorte habituelle d’erreurs! Certaines d’entreelles ont été légitimisées par la tradition qui souvent préfère le bon sens à la réflexion — les exemples nemanquent pas, la terre n’est elle pas plate d’après le bon sens? Cependant, les réflexions et recherchessuscitées par la fascinante complexité des mécanismes de filtration ont produit les connaissances actuelles,connaissances qui font que l’on dispose, avec les filtres géotextiles, d’une technique remarquablementfiable. Il ne reste qu’à communiquer ce message au plus grand nombre. De ce point de vue, pas de crainte:

si la fonction d’un filtre est de retenir le sol tout en laissant passer l’eau, le sujet de la filtration sait retenirl’attention tout en laissant couler beaucoup d’encre.

REMERCIEMENTS

L’auteur exprime sa gratitude à K.L. Soderman et à B.A. Gross pour leurs commentaires ainsi qu’àK. Holcomb et M. Ramirez pour leur assistance lors de la rédaction de cette communication.

RÉFÉRENCES

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— Soil Filtration with Geotextile: Feedback and New Developments”, Comptes Rendus de Rencontres 97 —

Proceedings of Rencontres 97, Volume 1, Reims, France, Octobre/October 1997, pp.105-111. (en français et enanglais)

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Giroud, J.P., (1982b), “Discussion on Filter Criteria for Geotextiles”, Proceedings of the Second International Conference

on Geotextiles, Vol. 4, Las Vegas, Nevada, USA, August 1982, pp. 36-38.

Giroud, J.P., (1988), “Review of Geotextile Filter Criteria”, Proceedings of the First Indian Geotextiles Conference,Bombay, India, December 1988, pp. 1-6.

Giroud, J.P., (1989), “Panelist Contribution on Geotextile Filters”, Proceedings of the Twelfth International Conference on

Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol. 5, Rio de Janeiro, Brazil, August 1989, pp. 3105-3106.

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Editors, Montréal, Canada, May 1996, pp. 565-680.Lafleur, J., Mlynarek, J. and Rollin, A.L., (1989), “Filtration of Broadly Graded Cohesionless Soils”, Journal of

Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 115, No. 12, pp. 1747-1768.

Tisinger, L.G., Clark, B.S., Giroud, J.P. and Schauer, D.A., (1994),”The Performance of Nonwoven Geotextiles Exposedto a Semi-Tropical Environment”, Proceedings of the Fifth International Conference on Geotextiles, Geomembranes

and Related Products, Singapore, September 1994, Vol. 3, pp. 1223-1226.




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F

Tableau 1 Critère de rétention (Giroud, 1982a), représenté également par la Figure 7.Table 1 Retention criterion (Giroud, 1982a), also represented in Figure 7.

SolSoil

Indice de densité dusol (Densité relative)

Density indexof the soil

(Relative density)

Coefficient d’uniformité linéaire du sol

Linear coefficient of uniformity of the soil

1 < ′Cu ≤ 3 ′C

u ≥ 3

Sol peu denseLoose soil

ID < 35% OF < ′Cud50

OF <9

′Cu

d50

OF < ′Cu

0.3 d85 OF < 9 ′Cu

-1.7 d85

Sol de densité moyenneMedium dense soil

35% < ID < 65%OF < 1.5

′

Cu d50 OF < 13.5′Cu

d50

OF < 1.5 ′Cu

0.3 d85 OF < 13.5 ′Cu

-1.7

Sol denseDense soil

ID > 65% OF < 2 ′Cu d50

OF <18

′Cu

d50

OF < 2 ′Cu

0.3 d85 OF < 18 ′Cu

-1.7 d85

Notes: Les deux équations situées dans la même case sont équivalentes dans le cas d’un sol ayant unecourbe granulométrique quasi linéaire en axes semi-logarithmiques traditionnels. Le symbole OF désigne la

valeur pratiquement mesurable de l’ouverture de filtration du géotextile, c'est-à-dire une valeur proche de lavaleur théorique, O100 , comme, par exemple, O95 . Le coefficient d’uniformité linéaire du sol est obtenu enlinéarisant la courbe granulométrique du sol en axes semi-logarithmiques traditionnels, comme cela estexpliqué par Giroud (1982a) et en utilisant l’équation suivante:

Notes: The two equations contained in the same cell are equivalent in the case of a soil having a particlesize distribution curve that is quasi linear in the traditional semi-logarithmic axes. The symbol OF désignatesthe filtration opening size of the geotextile, i.e. a value close to the theoretical value, O 100 , such as, forexample, O95 . The linear coefficient of uniformity of the soil is obtained by linearizing the particle sizedistribution curve of the soil in the traditional semi-logarithmic axes, as explained by Giroud (1982a) andusing the following equation:

′ = = = = = =C d d d d d d d d d du 100 50 90 40 60 10 50 0 100 0L




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F

Fig. 1 Exemple de géotextile à la fois inutileet nuisible.Fig. 1 Example of a geotextile filter that isboth useless and detrimental.

Fig. 2 Courbe granulométrique d’un sol àgranulométrie discontinue ayant une trèsfaible proportion de particules fines commele gravier sale de la Figure 1.Fig. 2 Particle size distribution curve of agap-graded soil containing a very smallpercentage of fine particles, such as thedirty gravel of Figure 1.

Fig. 3 Exemples de courbes granulo-métriques de sols à granulométriediscontinue ayant une faible proportion departicules fines (A = fraction grossière àgranulométrie étendue; B = fractiongrossière à granulométrie étroite). Dans

les deux cas, les particules fines peuventse déplacer car la proportion de particulesfines est inférieure au domaine de valeurscritiques indiqué par une bande grisée.Fig. 3 Examples of particle size distributioncurves of gap-graded soils having a smallpercentage of fine particles (A = broadlygraded coarse fraction; B = narrowlygraded coarse fraction). In both cases, thefine particles can move because thepercentage of fine particles is less than therange of critical values represented by ashaded strip.




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F

Fig. 4 Imbrication des particules de sol: (a) particules de différentes dimensions emprisonnées dans le

squelette formé par les grosses particules; (b) dans le cas d’un sol à granulométrie étroite (coefficientd’uniformité entre 1 et 3), toutes les particules d’un certaine dimension sont emprisonnées dans la structureformée par toutes les particules de dimension supérieure; (c) dans le cas d’un sol à granulométrie étendue(coefficient d’uniformité supérieur à 3), les grosses particules telles que S’ ne forment pas un squelettecontinu tandis que l’ensemble des particules telles que S et S’ forment un squelette continu; (d) squeletteinterrompu à l’interface et légèrement désorganisé au voisinage de l’interface, laissant des particules nonemprisonnées dans le squelette; si le filtre a des ouvertures trop petites (Figure 4d), ces particules tendent às’accumuler sur le filtre et à le colmater, mais, si le filtre est bien dimensionné (Figure 4c), ces particulespeuvent s’échapper et le filtre ne se colmate pas.Fig. 4 Interlocking of soil particles: (a) particles of different sizes entrapped within the skeleton formed by thelarge particles; (b) in the case of a narrowly graded soil (coefficient of uniformity between 1 and 3), all of theparticles of a certain size are entrapped in the structure formed by all of the larger particles; (c) in the case ofa broadly graded soil (coefficient of uniformity greater than 3), large particles such as S’ do not form a

continuous skeleton, while particles such as S and S’ altogether form a continuous skeleton; (d) theskeleton is interrupted at the interface and slightly disorganized in the vicinity of the interface, and, as aresult, some particles are not entrapped within the skeleton.

Fig. 5 Ouverture de filtre requise pour permettre le passage d’une particule: (a) si la particule se présenteseule, il faut que l’ouverture du filtre soit plus grande que la particule; (b) s’il y a plusieurs particulesensemble (cas d’un sol dense), les particules forment un pontage au dessus de l’ouverture qui, parconséquent, peut être plus grande que la dimension des particules.Fig. 5 Filter opening size required to allow particles to pass: (a) if a particle travels alone, the filter openingmust be larger than the particle size; (b) if there are several particles together (case of a dense soil), the

particles form a bridge over the filter opening, which can, therefore, be larger than the particles.




GIROUD 90 A

F

Fig. 6 Représentation schématique d’un critère de rétention prenant en compte les caractéristiques du solqui régissent la rétention. Les cercles pleins représentent schématiquement la granulométrie du sol pourtrois valeurs du coefficient d’uniformité (1, 3 et 10). Les cercles vides représentent schématiquement lesouvertures du filtre.Fig.6 Schematic representation of a retention criterion that takes into account the soil characteristics that

govern retention. The full circles schematically represent the particle size distribution of the soil for threevalues of the coefficient of uniformity (1,3 and 10). The empty circles schematically represent the filteropening size.

Fig. 7 Représentation du critère de rétention de Giroud (1982a) présenté au Tableau 1 en prenant commebase: (a) le d50 du sol; (b) le d85 du sol.Fig. 7 Representation of Giroud’s retention criterion (1982a) presented in Table 1 using as a basis: (a) the d50 of the soil; (b) the d85 of the soil.




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Fig. 8 Constrictions: (a) définition d’une constriction; (b) dimension d’une constriction; (c) courbe dedistribution des constrictions.Fig. 8 Constrictions: (a) definition of a constriction; (b) size of a constriction; (c) constriction size distributioncurve.

Fig. 9 Filtration: (a) chemin de filtration; (b) courbe de distribution des ouvertures.Fig. 9 Filtration: (a) filtration path; (b) opening size distribution curve.




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Fig. 10 Courbes de distribution des constrictions et courbes de distribution des ouvertures dans le cas degéotextiles nontissés: (a) courbes de distribution des ouvertures pour quatre géotextiles constitués du mêmematériau nontissé, mais d’épaisseurs différentes, (1) infiniment épais, (2) épais, (3) mince, (4) infinimentmince, la courbe de distribution des ouvertures du géotextile nontissé infiniment mince étant la courbe dedistribution des constrictions de tous les quatre géotextiles; (b) relation entre la courbe de distribution desconstrictions et la courbe de distribution des ouvertures dans le cas d’un géotextile nontissé d’épaisseurfinie.Fig. 10 Constriction size distribution curves and opening size distribution curves in the case of nonwoven

geotextiles: (a) opening size distribution curves for four geotextiles made from the same nonwoven material,but having different thicknesses, (1) infinitely thick, (2) thick, (3) thin, (4) infinitely thin, the opening sizedistribution curve for the infinitely thin nonwoven geotextile being also the constriction size distribution curvefor all of the four geotextiles; (b) relationship between the constriction size distribution curve and the openingsize distribution curve for a nonwoven geotextile of finite thickness.

Fig. 11 Géotextile tissé: (a) courbes de distribution des constrictions/ouvertures (les deux courbes sontidentiques dans le cas d’un tissé), deux exemples sont montrés, celui d’un tissé idéal où toutes lesouvertures sont rigoureusement identiques et celui d’un tissé réel où les ouvertures ne sont pas toutesrigoureusement identiques; (b) rétention d’une particule de sol; on voit que, lorsqu’une particule est retenuepar un géotextile tissé, elle est retenue à la surface du géotextile.Fig. 11 Woven geotextile: (a) constriction/opening size distribution curves (both curves are identical in thecase of a woven), two examples are shown, that of an ideal woven geotextile where all openings arerigourously identical and that of an actual woven geotextile where openings are not all rigourously identical;(b) retention of a soil particle; it is seen that, when a particle is retained by a woven geotextile, it is retainedat the surface of the geotextile.

Fig. 12 Géotextile nontissé très épais: (a) la courbe de distribution des ouvertures de ce géotextile nontisséest comparable à celle du géotextile tissé de la Figure 11a; (b), on voit que, lorsqu’une particule est retenuepar un géotextile nontissé, elle est retenue à un niveau qui dépend du chemin de filtration.Fig.12 Very thick nonwoven geotextile: (a) the opening size distribution curve of this geotextile is comparableto that of the woven geotextile of Figure 11a; (b) it is seen that, when a particle is retained by a nonwovengeotextile, it is retained at a level that depends on the filtration path.




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Fig. 13 Probabilité pour qu’une particule passe à travers un géotextile ou soit retenue dans ou sur legéotextile.Fig. 13 Probability that a particle will pass through a geotextile or will be retained in or on the geotextile.

Fig. 14 Comparaison des probabilités de rétention, par deux géotextiles nontissés ayant la même ouverturede filtration, O100 , de deux particules, l’une étant une particule du squelette de dimension ds , supérieure àl’ouverture de filtration l’autre étant une particule fine de dimension df , inférieure à l’ouverture de filtration dugéotextile: (a) géotextile nontissé mince; (b) géotextile nontissé épais.Fig. 14 Comparison of the probabilities of retention, by two nonwoven geotextiles having the same filtrationopening size, O100 ,of two particles, one being a skeleton particle of size, d s , larger than the filter opening

size the other being a fine particle of size df , smaller than the filter opening size: (a) thin nonwovengeotextile; (b) thick nonwoven geotextile.




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Fig. 15 Comparaison des probabilités de rétention, par deux géotextiles nontissés ayant la même ouverturede filtration, O100 , de particules du squelette dont la dimension, ds , peut varier dans un certain domaine: (a)toutes les particules du squelette sont plus grandes que O100 ; (b) certaines particules du squelette sont pluspetites que O100 .Fig. 15 Comparison of the probabilities of retention, by two nonwoven geotextiles having the same filtrationopening size, O100 , of skeleton particles whose size, ds ,may vary in a certain range: (a) all of the skeletonparticles are larger than O100 ; (b) some of the skeleton particles are smaller than O100 .




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F

Fig. 16 Graphique donnant trois relations entre le rapport ouverture de filtration/diamètre de fibre et lerapport épaisseur du géotextile/diamètre de fibre pour un géotextile nontissé. Chaque relation estreprésentée par une famille de courbes: (1) les courbes en trait plein correspondent à des valeursconstantes de la porosité, n, du géotextile; (2) les courbes en tirets correspondent à des valeurs constantesdu rapport adimensionnel µ ρ

GT f GTta f ; et (3) les courbes en pointillé correspondent à des valeurs

constantes du nombre de constrictions, m. Il faut noter que différents points sur la même courbe en trait

plein correspondent à différents géotextiles ayant la même porosité mais des épaisseurs différentes, tandisque différents points sur la même courbe en tirets correspondent au même géotextile ayant des épaisseursdifférentes correspondant à différents niveaux de compression. Definitions: df = diamètre des fibres; n =porosité du matériau nontissé; m = nombre moyen de constrictions; OF = ouverture de filtration (voir Tableau1); tGT = épaisseur du géotextile; µ GT = masse surfacique du géotextile; ρ GT = masse volumique du polymère.Fig. 16 Chart giving three relationships between the filtration opening size/fiber diameter ratio and thegeotextile thickness/fiber diameter ratio for a nonwoven geotextile. Each relationship is represented by afamily of curves: (1) the solid curves correspond to constant values of the geotextile porosity, n; (2) the

dashed curves correspond to constant values of the dimensionless ratio µ ρ GT f GT

ta f ; and (3) the dotted

curves correspond to constant values of the number of constrictions, m. It should be noted that differentpoints on the same solid curve correspond to different geotextiles whereas different points on the samedashed curve correspond to the same geotextile but with different thicknesses corresponding to differentlevels of compression. Definitions: d

f = fiber diameter; n = porosity of the nonwoven material; m = average

number of constrictions; OF = filtration opening size (see Table 1); tGT = geotextile thickness; µ GT = mass per

unit area of the geotextile; ρ GT = density of the polymer.




GIROUD 96 A

F

Fig. 17 Nécessité d’un contact intime entre le filtre géotextile et le sol — Exemple d’une tranchée drainante:montrant le rôle du matériau situé à l’aval du filtre géotextile: (a) un gravier de petite dimension (par exemple20 mm ou moins) et bien compacté applique une pression relativement uniforme et, par conséquent, peutassurer un contact intime entre le filtre géotextile et le sol si le géotextile est souple; (b). un gravier degrande dimension n’applique pas une pression uniforme et, par conséquent, n’est pas susceptible d’assurerun contact intime entre le filtre géotextile et le sol; (c) dans le cas d’un drain géocomposite formé d’une âmesynthétique rigide et d’un filtre géotextile, la rigidité de l’âme empêche souvent le géotextile d’épouser lesirrégularités de la surface du sol, ce qui rend impossible un contact intime (on recommande alors souvent deplacer du sable entre le filtre géotextile et le sol).Fig. 17 Intimate contact requirement between the geotextile filter and the soil — Example of a drainagetrench illustrating the role of the material located on the downstream side of the geotextile: (a) a wellcompacted small gravel (e.g. 20 mm or less) exerts a relatively uniform pressure and, therefore, may ensureintimate contact between the geotextile filter and the soil if the geotextile is flexible; (b) a coarse gravel doesnot exert a uniform pressure and, therefore, is unlikely to ensure intimate contact between the geotextilefilter and the soil; (c) in the case of a geocomposite drain composed of a rigid synthetic core and a geotextilefilter, the rigidity of the core often prevents the geotextile from conforming to the irregularities of the soilsurface, which makes intimate contact impossible (in this case, it is often recommended to place sandbetween the geotextile filter and the soil).

Fig. 18 Nécessité d’un contact intime entre le filtre géotextile et le sol — Exemple d’une protection de berge:Le rôle de la couche de petit gravier (couche 3) est d’exercer un pression uniforme sur le filtre géotextilepour assurer un contact intime entre le filtre géotextile et le sol; la couche de gros gravier (couche 2) joue lerôle de filtre entre le petit gravier et les blocs (couche 1) pour empêcher le petit gravier d’être lessivé entreles blocs par l’action des vagues.Fig. 18 Intimate contact requirement between the geotextile filter and the soil — Example of a bankprotection: the role of the layer of small gravel (Layer 3) is to exert a uniform pressure on the geotextile filterin order to ensure an intimate contact between the geotextile filter and the soil; the layer of coarse gravel

(Layer 2) acts as a filter between the small gravel and the blocks (Layer 1) to prevent the small gravel frombeing washed through the blocks by wave action.



GIROUD 171 A

1 INTRODUCTION

1.1 Nearly Forty Years of ExperienceGeotextile filters have now been used for nearly forty years. These forty years of successes and errors, fortyyears of experience, have led to today’s sophisticated tools, which are available to the engineer and the user

to design and select geotextile filters. During these forty years, geotextile filters have sometimes beenpraised and sometimes condemned. There is a passion in filtration that does not exist in other branches ofgeotechnical engineering, a passion that is fueled by irrational beliefs which result from the complexity of thefiltration phenomenon and by fear which is inspired by the specter of clogging. A reinforcing element thatruptures is like a broken bone: it is sudden, perceived immediately, easy to understand, and the rationaltreatment is obvious. A filter that clogs is like a mysterious illness which develops slowly, is usuallydiscovered too late, is poorly understood, and does not have an obvious cure. However, the filtrationfunction seems so simple!

1.2 A Simple Funct ion, but a Complex MechanismThe function of a filter in a geotechnical structure is to allow water to pass while retaining the soil. In otherwords, a filter must play two fundamental roles: let the water pass and retain the soil. It is important to note

that the word retain is used, not the word stop, and that the word soil is used, not the phrase soil particles.The function of a filter in a geotechnical structure is different from the function of a filter placed across a fluidthat carries particles in suspension. While the latter filter stops moving particles, a filter placed in ageotechnical structure retains the soil, i.e. prevents the soil from moving. In other words, in the case of afilter placed across a fluid carrying particles in suspension (dusty air, tea), the particles stopped by the filteraccumulate little by little on the filter (and therefore clog it progressively), while in the case of a filter in ageotechnical structure, the filter prevents the soil as a whole from moving, thus most particles do not moveand therefore do not accumulate on the filter (and consequently do not clog it). There are, however, alwaysfine particles that move, carried by water: the filter must let them pass. This is an essential aspect of thefunctioning of a filter in a geotechnical structure. Retention must not be total: the soil must only be retainedas a whole and, if some particles move individually, it is essential that the filter does not stop them,otherwise it would clog.

There are also some critical situations where water that flows in the soil carries a large amount of particles insuspension. A filter exposed to such a situation can only clog. It is therefore important to identify thosesituations and to avoid them using an appropriate design of the structure that contains the filter; this issomething that is known and which will be discussed in detail in the rest of this paper.

1.3 Design Methods Influenced by TraditionThe design of a filter is traditionally made using two criteria, a permeability criterion and a retention criterion.These two criteria correspond to the two fundamental roles included in the filter function: let the water passand retain the soil. The permeability criterion expresses that the filter is sufficiently permeable (i.e. hasopenings that are large enough) to allow the water to flow freely and the retention criterion expresses thatthe filter has openings sufficiently small to retain the soil. This traditional approach using two criteriaprovides the designer with a tool that is satisfactory in the majority of cases. However, this traditional

approach using two criteria tends to hide the dual nature of the retention mechanism and an approach thatbetter represents the reality is described below.A discussion of the filtration function, such as described in Section 1.2, shows that the design of a filter mustsatisfy two requirements that are opposite (but not contradictory) concerning the openings of the filter: (i) thefilter must have openings small enough to retain the soil as a whole; and (ii) the filter must have openingslarge enough to allow water to flow as freely as possible and also (something that is often forgotten) to allowthe soil particles which are carried by water to pass. The second requirement is dual; as a result there arethree criteria, a retention criterion (retention of the soil as a whole), a permeability criterion, and a non-retention criterion (non-retention of the particles that move). This approach of filter design using three criteriais more correct than the approach using two criteria because it corresponds exactly to the requirement of thefunctioning of a filter. One could argue that the permeability criterion and the non-retention criterion areredundant because, if the permeability criterion is satisfied, this implies that the openings of the filter are not

small, which results in the fact that the non-retention criterion is satisfied. This may be true for granularfilters, but it is certainly not true for geotextile filters. Indeed, geotextiles, which usually have a highpermeability, virtually always satisfy the permeability criterion, even with very small openings. However,




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there is no guarantee that small openings that satisfy the permeability criterion would satisfy the non-retention criterion.Since the permeability criterion is virtually always satisfied in the case of geotextile filters, the conceptualand detailed design effort should be focused on the retention of the soil as a whole and on the non-retentionof the particles that move. Accordingly, in the remainder of this paper, only the mechanisms and criteria ofretention and non-retention will be discussed.

1.4 Malfunct ioning Modes Are KnownAs a result of the discussion presented above (Section 1.2) there are three modes of malfunctioning of afilter: (i) initial lack of permeability (i.e. insufficient permeability of the filter even without clogging), whichresults in insufficient flow of water through the filter; (ii) excessive retention, which results in accumulation offine particles in or on the filter, i.e. clogging; and (iii) insufficient retention, which results in excessivetransport of particles through the filter (excessive, i.e. in excess of the desirable transport through the filter ofparticles that would be carried by water no matter what). This phenomenon of particle transport has beengiven various names such as “internal erosion”, and “piping” in the case the erosion causes a void that lookslike a pipe.Clogging decreases the permeability of the filter; therefore, clogging and initial lack of permeability have thesame consequences: insufficient drainage of the soil located upstream of the filter, resulting in a high soil

water content (which is undesirable if the goal is to dewater the soil) and in a high pore water pressure(which may have a catastrophic influence on the stability of the soil). The excessive transport of particlesmay have detrimental consequences upstream and downstream of the filter: upstream, the departure ofparticles may result in soil collapse; and, downstream, the arrival of particles may result in clogging of thedrain, if any. It will be seen in Section 5.2 that the relative importance of the various potential detrimentalconsequences that a filter may have depends on the geotechnical structure in which the filter is placed.It is clear that the malfunctioning of a filter may have very detrimental consequences. One may, therefore,be reassured to know that there are today reliable methods to design filters, in particular geotextile filters.

1.5 Remarkable Progress and Reliable Tools for the Design of Geotextile FiltersDuring the last 20 years, remarkable progress has been made in four essential areas concerning geotextilefilters: (i) we have learned how to identify, hence how to avoid, the soils that lead to a high risk of clogging

regardless of the type of filter (geotextile or granular filter); (ii) we have learned how to include in retentioncriteria the important parameters that govern the behavior of the soil in contact with the filter; (iii) we havelearned how to quantify the parameters that govern the filtration characteristics of geotextiles, which makes itpossible to rationalize the selection and manufacture of geotextile filters; and, finally, (iv) we have learnedhow to use geotextile filters properly, i.e. to install them correctly and insert them properly into thegeotechnical structure, so they can perform their function with maximum safety.By addressing the four above points, this paper will show that, during the past twenty years, we have come along way, a way strewn with mistakes, but leading to the well-established body of knowledge availabletoday. It is important to remember some of the mistakes that were made because they are pitfalls in whichone should not fall again. More importantly, it is essential to know that the body of knowledge availabletoday is based on a solid foundation and provides reliable tools that make it possible to use geotextile filterswith a high level of safety, hence a high level of confidence.

2 RISKY SOILS

2.1 A Mistake in the FieldA contractor was so proud to show me what he thought was an excellent job: he had placed a perforateddrainage pipe in a gravel-filled trench, as shown on the construction drawings; but contrary to theconstruction drawings, he had added a geotextile filter around the pipe (Figure 1). He said he had “improvedthe design” of the drainage system by adding a filter. (Of course, at the origin of this “good deed” was thefact that the contractor had gotten this pipe with a geotextile filter for a price less than the price of the pipe asspecified without a geotextile filter.) I asked that the contractor reconstruct the drainage trench without thegeotextile filter around the pipe. Indeed, the geotextile filter around the pipe was useless and detrimental. Itwas useless because it was not needed to retain the gravel, which was too coarse to be able to pass

through the pipe perforations. It was detrimental because the gravel, as is often the case in drainagetrenches, was not clean; consequently, as soon as water would flow through the gravel toward the pipe, itwould wash away the fine particles located on the gravel particles and the fine particles would settle on or in




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the geotextile filter. It is very important to understand that a filter, unless its openings are very large, stopsthe particles carried by the fluid that flows through it: this is the way air filters, oil filters, tea filters, etc. work.In geotechnical engineering, a filter must never, absolutely never, be in a situation where it stops particlescarried by water in suspension: this filter will automatically clog regardless of its characteristics.

2.2 Gap-Graded Soils

The mishaps of the contractor can be expressed in a more general way by considering that the geotextilefilter was in contact with a gap-graded soil where the percentage of the fine fraction is small. Indeed, thedirty gravel in the trench is a soil whose particle size distribution curve includes a plateau (Figure 2), whichrepresents a gap in the particle size distribution; furthermore, the plateau is very low, which indicates that thepercentage of fine particles is small. This small amount of fine particles do not occupy all the pore volume ofthe gravel; therefore, the gravel remains very permeable. Consequently, water can flow very rapidly throughthe gravel and can, therefore, wash away the fine soil particles. It follows that one should never place a filterin contact with a gap-graded soil where the fine fraction is mobile, i.e. a gap-graded soil where thepercentage of the fine fraction is small. The critical percentage of fine particles below which fine particlesare mobile depends on the particle size distribution and the density of the material that constitutes thecoarse fraction of the gap-graded soil. As an approximation, one may consider the following values(obtained using elementary calculations) for the critical percentage of the fine fraction: from 24 to 30%, if the

coarse fraction has a narrow particle size distribution and a low density; from 17 to 23%, if the coarsefraction has a narrow particle size distribution and a high density; and from 11 to 16%, if the coarse fractionhas a broad particle size distribution (Figure 3).

2.3 Internal InstabilitySoils containing fine particles that can move between coarser particles are called internally unstable soils.The soils that are likely to be internally unstable are the gap-graded soils which were discussed above(Section 2.2) and the soils with a very broad particle size distribution, i.e. soils that have a coefficient ofuniformity of 50 or more, for example 100 or even 1,000. In the case of gap-graded soils, it is rather easy todistinguish between those that present a risk of internal instability by considering the percentage of fines, asindicated above (Section 2.2). In contrast, in the case of soils with a continuous particle size distributioncurve which is very broad, it is difficult to quantitatively determine those that are likely to be internally

unstable; however, in the case of cohesionless soils, this can be done using the shape of the particle sizedistribution curve, as shown by Lafleur et al. (1989).

2.4 Conclusion on Risky SoilsFrom the foregoing discussions, it appears that there are risky soils, the internally unstable soils. It isimportant to know that techniques are available to identify these soils, as shown above. These techniquescan be summarized as follows: (i) if the soil is gap-graded, it is unstable if the percentage of the fine fractionis less than a certain value which depends on the nature of the coarse fraction (see Section 2.2); and (ii) ifthe soil has a continuous particle size distribution curve, it is generally stable, but it may be unstable if itsparticle size distribution is very broad, i.e. if its coefficient of uniformity is 50 or more, for example 100 oreven 1,000.If the soil is clearly unstable, a filter should absolutely not be placed in contact with this soil. In some cases,

this may lead to a change in the conceptual design of the project. If the soil is not clearly unstable, but isborderline and could present a risk of instability, it is recommended to consult an expert and filtration tests ina laboratory may be necessary. Finally, if the soil is internally stable the use of a filter can be considered, inother words, one may say that this soil is “filtrable”. Of course, a requirement for this filter to functionproperly is that it be designed, selected and installed adequately, i.e. in accordance with the principlespresented in Sections 3, 4 and 5.

3 IMPACT ON FILTER CRITERIA OF SOIL CHARACTERISTICS THAT GOVERN RETENTION

3.1 A First Mistake by Common SenseCommon sense dictates without any hesitation that, to retain soil particles, a filter must have all of itsopenings smaller than the smallest soil particle. It is clear that under these conditions no soil particle can

pass through the filter. This results in absolute retention, which seems to indicate that common sense isright. However, such a filter would be very likely to malfunction for the following two reasons: (i) the filter,having very small openings, would have a very small permeability and would not let water flow freely, which




GIROUD 74 A

is contrary to one of the two fundamental roles of a filter; and (ii) the filter would be very likely to clogbecause it would capture the moving fine particles which, even in the case of an internally stable soil, alwaysexist at the beginning of the functioning of a filter. (This last point will be addressed in greater detail later inthis same section.)When a soil is filtrable, i.e. internally stable (see Section 2.4), the fine particles are interlocked in thestructure formed by coarser particles (Figure 4a) and, as a result, are not free to move. Therefore, it is

useless to retain them. However, it is necessary to distinguish between two cases: (i) the case of narrowlygraded soils, i.e. the soils that have a coefficient of uniformity between 1 and 3; and (ii) the case of broadlygraded soil, i.e. the soils that have a coefficient of uniformity greater than 3. It has been shown that, in thecase of narrowly graded soils (coefficient of uniformity between 1 and 3), it is sufficient for the filter to retainthe coarsest particles to ensure that the soil is retained (Giroud, 1982a). These coarsest particles form acontinuous skeleton (Figure 4b) which entraps particles of intermediate size; the set of coarse andintermediate size particles form a stable structure which entraps the particles that are a little smaller, etc. Asa result, in the case of narrowly graded soils, all of the particles with a given size are completely entrappedin the structure formed by all of the coarser particles. In contrast, in the case of broadly graded soils(coefficient of uniformity greater than 3), there are not enough of the coarsest particles to form a continuousskeleton (Figure 4c). In this case, the skeleton is formed by the set of particles greater than a certain size,which depends on the coefficient of uniformity of the soil; this size is smaller than the size of the coarsest

particles but it is always clearly greater than the size of the smallest particles of the soil (Giroud, 1982a).Therefore, in all cases, soil retention is ensured by a filter that retains particles that are clearly coarser thanthe finest soil particles.It is very important to note that, at the interface between the soil and the filter and in the vicinity of thisinterface, there are particles that are not entrapped in the skeleton (Figure 4d) because the skeleton isinterrupted at the interface and is slightly disorganized in the vicinity of the interface. As soon as water startsflowing, it washes away these particles toward the filter. If the filter openings are too small, the movingparticles are stopped by the filter and they accumulate little by little on the filter, thereby clogging itprogressively. In contrast, if the moving particles can pass through the filter, which is the ideal case, a zonewith a permeability slightly larger than that of the rest of the soil is being formed in the soil in the vicinity ofthe interface. This zone ensures an excellent transition between the soil and the filter.It is clear from the preceding discussions that, in the field of filtration, common sense is completely wrong: it

is not necessary, and it is even usually detrimental, to retain all soil particles; to the contrary, a filter mustallow some small particles to pass and it only needs to retain the particles that form the skeleton to ensuresoil retention. By retaining the skeleton, the geotextile allows the skeleton to act as a filter for the particlesimmediately smaller than the skeleton particles; in turn, these particles act as a filter for the particlesimmediately smaller, etc. In other words, by ensuring the stability of the skeleton, the geotextile acts as acatalyst that makes it possible for the skeleton to serve as the foundation for a self-filter that develops in thesoil and which could not develop if the skeleton were not stable. Clearly, filtration is a phenomenon that istoo complex to be dealt with by common sense.

3.2 A Mistake Made by TraditionThat it is sufficient to retain some coarse particles to retain the soil as a whole was recognized a long timeago in soil mechanics. However, a distinction, which is important from the viewpoint of filtration, between the

case of the narrowly graded soils (coefficient of uniformity between 1 and 3) and the case of the broadlygraded soils (coefficient of uniformity greater than 3) was not made clearly in the works on filtrationperformed within the framework of traditional soil mechanics. It is for that reason that all the retention criteriaproposed in traditional soil mechanics, i.e. the criteria for granular filter, refer to d85, which is practically thesize of the coarsest soil particles. In the case of broadly graded soils, this leads to absurdities thatgeotechnical engineers know very well and which they have learned to bypass using conventionalprocedures that maintain an atmosphere of mystery around the design of granular filters.At the beginning, the design of geotextile filters was naturally inspired from the design of granular filters and,unfortunately, has inherited problems related to the design of those filters. In particular, committeesinfluenced by geotechnical engineers attached to soil mechanics traditions, have adopted retention criteriafor geotextiles that perpetuate problems related to the design of granular filters for broadly graded soils.What we know today on filtration requires an update of the retention criteria proposed by some committees

for geotextile filters in contact with broadly graded soils. For the past fifteen years, retention criteria havebeen available which were especially developed for geotextile filters and which resulted from a quantitativeanalysis based on the principles presented above (Section 3.1). In the case of broadly graded soils, these




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criteria lead to a reliable design of geotextile filters; in contrast, criteria which directly imitated the criteria forgranular filters may lead to catastrophes. Thus, it has been shown that, if at Valcros Dam the geotextile filterhad been designed according to some criteria derived from criteria for granular filters, the dam would havehad a high risk of internal erosion (Giroud, 1988). How can we explain, other than by a blind attachment totradition, the upholding of a criterion which would have led, if it had been used, to the failure of Valcros Dam,the first dam constructed with a geotextile filter?

3.3 A Second Mistake by Common SenseCommon sense has no luck with filtration. Being only a random collection of beliefs based on simplisticthoughts, common sense is ill equipped to provide rational solutions to problems, such as filtration, thatrequire sophisticated analyses. According to common sense, to retain a soil particle of a given size, a filteropening should be smaller than the soil particle (Figure 5a). This ignores that soils particles are usually notalone in front of a filter opening and that they form bridges such that some particles smaller than the filteropening do not pass (Figure 5b). The stability of these bridges depends on the cohesion and the density ofthe soil. In the case of cohesive soils, such as clays, bridges of the order of 100 micrometers, i.e. includingseveral tens of particles, may be stable. In the case of cohesionless soils, such as sand, or soils with lowcohesion, such as silts, bridges with two or three particles can be stable if the soil is dense, which is oftenthe case in geotechnical structures. Using certain approximations, it has been shown that, in the case of

dense soils, the filter opening could be twice the size of the particles to be retained (Giroud, 1982a).However, if the soil is in a loose state, which is the case in some poorly constructed structures or in difficultsituations such as landslides, there is no stable bridge and it is necessary to use a filter with openingssmaller than the size of the particle to be retained.Retention criteria specially developed for geotextile filters take into account the bridging effect. Therefore,one should not be surprised to see that, in some cases, these criteria authorize filter openings larger thanthe size of the particles to be retained, even though this seems to challenge common sense.

3.4 Conclusion Regarding the Impact of Soil Characteristics on Retention CriteriaThe foregoing discussions can be summarized as follows: (i) a geotextile filter must be designed to retainparticles that form the soil skeleton; (ii) the size of these particles depends on the particle size distribution ofthe soil and it is directly given by the retention criteria especially developed for geotextile filters; (iii) theseretention criteria also take into account the phenomenon of particle bridging in the case of dense soils.Figure 6 schematically presents the concept of retention criteria developed especially for geotextile filters. Itis seen on this figure that: (i) in the case of loose soils (i.e. the soils where there is no bridging of soilparticles located on top of filter openings), the authorized filtration opening size is equal to the size of thelargest soil particles if the coefficient of uniformity of the soil is less than or equal to 3 and is smaller than thesize of the largest soil particles if the coefficient of uniformity of the soil is larger than 3 because, in this case,the particles that form the skeleton are smaller than the largest particles of the soil; and (ii) in the case ofdense soils, as a result of the bridging of soil particles on top of filter openings, the authorized filtrationopening size is larger than in the case of loose soils, which results in the curve which represents theretention criterion for dense soils being above the curve which represents the retention criterion for loosesoils. As a result, as shown in Figure 6, in the case of dense soils, the filtration opening size is larger thanthe size of the largest soil particles when the coefficient of uniformity of the soil is larger than approximately5.

An example of a retention criterion which takes into account the soil characteristics that govern filtration isGiroud’s criterion (1982a) presented in Table 1 and Figure 7. The difference in the shape of the curves ofFigures 6 and 7 results from the fact that Figure 6 was established based on the size of the largest soilparticles (schematically represented by spheres) while Figure 7 is based on the d50 of the soil (Figure 7a) ord85 of the soil (Figure 7b). From a didactic viewpoint, it was preferable to use the size of the largest soilparticles in Figure 6, but it is more practical to use the d50 or the d85 of the soil in the criterion presented byFigure 7 because the size of the coarsest soil particles is not easy to measure accurately due to thepresence, always possible, of an erratic coarse particle.In conclusion, it may be seen that the modern retention criteria, specially developed for geotextile filters, aresophisticated regarding the way they deal with the soil because they take into account three soilcharacteristics that govern retention: the size of particles (the only characteristic which is taken into accountin traditional criteria), the shape of the particle size distribution curve (through the coefficient of uniformity),

and the density of the soil.




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4 FILTER CHARACTERISTICS THAT GOVERN RETENTION

4.1 Limitations of Current Retention CriteriaThe retention criteria currently available for geotextile filters are very sophisticated because they take intoaccount several parameters related to the behavior of the soil in contact with the geotextile filter, but they areless sophisticated regarding the way they take into account the geotextile filter. Only one parameter related

to the function of the geotextile filter is taken into account: the filtration opening size. Thus, the currentretention criteria consider as equivalent two geotextiles having the same filtration opening size, even thoughthese geotextiles may be very different regarding other characteristics likely to have an influence on theirfiltration performance. For example, a thin woven and a thick nonwoven are considered equivalent, withrespect to current retention criteria, if they have the same filtration opening size. It is clear that on this pointthere is a need for research and one may predict, on the basis of encouraging results from work in progress,that one day in the future sophisticated retention criteria will be available which will take into account severalrelevant parameters related to the geotextile filter as well as the current criteria take into account severalrelevant parameters related to the soil.To improve current retention criteria, an in-depth knowledge of filtration by geotextiles is required.Accordingly, the sections that follow present recent developments regarding the functioning and thestructure of geotextile filters. These developments make it possible in particular: (i) to better understand the

mechanism of filtration of soil particles by geotextile filters (see Sections 4.2 to 4.5); and (ii) to identify theparameters related to the structure of geotextile filters that have an influence on the filtration opening size(see Section 4.6).

4.2 Characterization of the Structure of Geotextile Filters: Constrictions and OpeningsThe characterization of the structure of geotextile filters will be presented for the case of nonwovengeotextiles. The concepts thus defined will easily be extended to the simpler case of woven geotextiles. Topass through a nonwoven geotextile filter, a particle must pass between fibers. A constriction can bedefined as the passage delimitated by three or more fibers (Figure 8a) and the size of a constriction can bedefined as the diameter of the sphere which can just pass through the constriction (Figure 8b).If a block of nonwoven material is considered (i.e. a three-dimensional sample, not a two-dimensionalsample such as a geotextile), and if this block is large enough to be representative, it contains arepresentative set of the constrictions which exist in the considered nonwoven material. This set ofconstrictions is represented by a constriction size distribution curve (Figure 8c). The constriction sizes rangefrom C0 , the size of the smallest constriction in the considered nonwoven material, to C100 , the size of thelargest constriction in the considered nonwoven material; C100 is such that 100% of the constrictions in theconsidered nonwoven material are smaller than or equal to C100 . One could argue that the size of thesmallest constriction is C0 = 0 because there is always the possibility that three fibers will meet at the samepoint, thus delimitating a passage with a zero size. However, from the viewpoint of filtration, constrictionswith a size that is zero or very small should not be considered because a particle that meets such aconstriction will not be stopped; instead, it will be diverted laterally. (The particles do not have to follow arigorously straight path, and they naturally select the path of least resistance.)A soil particle that travels in a nonwoven geotextile filter follows a filtration path (Figure 9a). A filtration pathis tortuous, but its general direction is aproximately perpendicular to the plane of the geotextile. As it travelsalong a filtration path, a particle passes through constrictions until it meets a constriction which is smaller

than it is. This constriction stops the particle. Of course, if the considered particle is not stopped by aconstriction, it passes through the geotextile.In each filtration path, there is a constriction that is smaller than the others. This constriction plays anessential role: it determines the size of the coarsest particle that can pass through the geotextile followingthe considered filtration path. This constriction is called the controlling constriction of the considered path.In a given filtration path, the size of the controlling constriction is the opening size of the filtration path;therefore, the opening size of a filtration path is the size of the coarsest particle which can travel through thegeotextile filter following this filtration path.In a nonwoven geotextile filter, there are many filtration paths, and these paths are all different. A givenparticle can be stopped in a certain filtration path, but it may pass through the filter if it follows another path.Each filtration path is characterized by its opening size. Therefore, a geotextile filter is characterized by anopening size distribution curve (Figure 9b). The size of the openings of a nonwoven geotextile (i.e. the sizes

of the openings of the various filtration paths of the geotextile) range from O0 , the size of the the smallestopening in the considered nonwoven geotextile, to O100 the size of the largest opening in the considerednonwoven geotextile; O100 is such that 100% of the filtration paths in the considered geotextile have




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openings that are smaller than or equal to O100 . In other words, 100% of the openings of a geotextile aresmaller than or equal to O100 . The opening size distribution curve is a characteristic of the geotextile and, inparticular, the largest opening, O100 , is a characteristic of the geotextile. called the filtration opening size of

the geotextile or, more simply, the opening size of the geotextile. The opening size of the geotextile is theopening size of the filtration path which has the largest opening size in that geotextile. In other words, theopening size of a geotextile is the size of the largest particle that can pass through the geotextile.

4.3 Relationship Between Constrict ions and Openings for Various Types of Geotextile FiltersIt is important to note that the constriction size distribution curve is an intrinsic characteristic of the materialthat constitutes a geotextile whereas the opening size distribution curve is a characteristic of the geotextile.The relationship between the constriction size distribution curve of the material that constitutes a geotextileand the opening size distribution curve of this geotextile depends on the geotextile thickness. To establishthe relationship between these two types of curves, three geotextiles with different thicknesses areconsidered. These three geotextiles are assumed to be made with the same nonwoven material. Twoextreme cases are considered first, the case of a nonwoven geotextile with a zero thickness and the case ofa nonwoven geotextile with an infinite thickness; then the case of a nonwoven geotextile with a finitethickness will be considered.Consider first an infinitely thin hypothetical nonwoven geotextile. In this geotextile, each filtration path has

only one constriction. Therefore, the opening of each filtration path is equal to the size of the uniqueconstriction of this filtration path. As a result, in the case of an infinitely thin hypothetical nonwovengeotextile, the opening size distribution curve is identical to the constriction size distribution curve (Figure10a, Curve 4). Then, consider the case of an infinitely thick hypothetical nonwoven geotextile. In thisgeotextile, each filtration path contains an infinite number of constrictions. Therefore, in the case of thisgeotextile, there is a 100% probability that all constriction sizes are present in each filtration path. Therefore,each filtration path contains the smallest constriction, C0 . When a filtration path contains the smallestconstriction, this constriction is of course the controlling constriction. Therefore, in the case of an infinitelythick hypothetical nonwoven geotextile, all the filtration paths have the same controlling constriction, hencethe same opening size (O0 = On = O100 = Cn). Therefore, the opening size distribution curve of this geotextileis a vertical line (Figure 10a, Curve 1). In other words, in the case of an infinitely thick hypotheticalnonwoven geotextile, all filtration paths have the same opening size which is the opening size of thegeotextile. Finally, the case of a nonwoven geotextile with a finite thickness is considered. Elementarycalculations show that, in a typical nonwoven geotextile, the number of filtration paths is greater than100/cm2. Therefore, if the considered specimen is large enough to be representative, it contains a verylarge (quasi infinite) number of filtration paths. The probability that at least one filtration path contains thesmallest constriction is virtually 100%. When a filtration path contains the smallest constriction thisconstriction is, of course, the controlling constriction, i.e. the opening size of the filtration path. The filtrationpath which has an opening size equal to the size of the smallest constriction is, of course, the filtration paththat has the smallest opening size. Therefore, O0 = C0 . In a given filtration path, the number ofconstrictions, in the case of a typical nonwoven geotextile, is not very large (for example, between 10 and50). Therefore, the probability that the smallest constriction can be present in all filtration paths is muchsmaller than 100%. As a result, a certain number of filtration paths have a controlling constriction (i.e. anopening) greater than C0 . The largest value that a constriction may have is C100 ; therefore, the largest valuethat any opening could have is C100 . However, for a filtration path to have such an opening, it would be

necessary that all the constrictions of this filtration path be equal to C100 . But, in a given filtration path, theprobability that all the constrictions be equal to C100 is virtually zero. Therefore, the maximum opening sizethat a filtration path may have (i.e. the maximum opening in the filter) is smaller than the maximumconstriction size (O100 < C100). The relationship thus demonstrated between the constriction size distributioncurve and the opening size distribution curve of a nonwoven geotextile with a finite thickness is illustrated inFigure 10b. The opening size distribution curve of a nonwoven geotextile of finite thickness is also illustratedin Figure 10a by two curves that correspond to two geotextiles of finite thickness, one thicker (Curve 2), theother one thinner (Curve 3). Finally, it is important to note that, in Figure 10a, Curve 4 which is the openingsize distribution curve for the infinitely thin nonwoven geotextile is also the constriction size distribution curvefor all four nonwoven geotextiles.A woven geotextile and an infinitely thin nonwoven geotextile have one point in common: since they bothcontain only one constriction in each filtration path, their opening size distribution curve is identical to their

constriction size distribution curve. There is, however, a large difference between the two materials: theconstriction/opening size distribution curve of a woven (Figure 11a) is vertical (ideal woven where all theopenings are rigorously identical) or quasi vertical (actual woven), whereas the curve for an infinitely thin




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nonwoven (Figure 10a, Curve 4) indicates by its inclination the variety of constriction and opening sizes in anonwoven.From a didactic viewpoint, it is interesting to compare a very thick nonwoven geotextile and a wovengeotextile. Both have an opening size distribution curve which is almost vertical (Figure 12a for thenonwoven and Figure 11a for the woven) and one may assume, for the sake of the discussion, that bothgeotextiles have the same opening size distribution curve (hence, the same filtration opening size). It is very

important to note that, although they are characterized by the same filtration opening size, these twogeotextiles retain soil particles in a different way. Indeed, when a particle is retained by the filter, it isretained at the surface of the filter in the case of the woven geotextile (Figure 11b), whereas in the case ofthe nonwoven geotextile the particle is retained, in the filter, at a certain level which depends on the filtrationpath (Figure 12b). Therefore, different filtration mechanisms may take place in two geotextile filters thathave not only the same opening size but also the same opening size distribution curve: this is becausethese two geotextiles have constriction size distribution curves that are very different, a vertical or quasivertical curve for the woven (Figure 11a) and a very inclined curve for the nonwoven (Figure 12a).The current retention criteria only take into account the opening size of the geotextile filter. One mayconclude from the foregoing discussions that an ideal retention criterion should take into account theopening size distribution curve (instead of only taking into account the opening size of the geotextile which isonly the largest of the openings of the considered geotextile) as well as the constriction size distribution

curve. At the present time, such a criterion does not exist. One may however use the constriction size andopening size distribution curves to qualitatively analyze the mechanism of filtration, which gives usefulinformation, as shown in the next section.

4.4 Analysis of the Filtration Mechanism Considering the Structure of Geotextile FiltersConsider the two curves defined in Section 4.2 that represent the structure of geotextile filters, theconstriction size distribution curve (which characterizes the material of which the geotextile is made) and theopening size distribution curve (which characterizes the geotextile). Both curves are cumulative probabilitycurves. Thus, the constriction size distribution curve gives the probability, PC , that a particle of size d will be retained at the surface of the geotextile and, correlatively, the probability, 1 – PC, that the particle will not be retained at the surface of the geotextile (Figure 13). The particles which are not retained at the surface ofthe geotextile either are retained in the geotextile or pass through the geotextile, and the opening sizedistribution curve makes it possible to distinguish between those two possibilities: the opening sizedistribution curve gives the probability, PO , that a particle will be retained on or in the geotextile and,correlatively, the probability 1 – PO that a particle will not be retained, i.e. will pass through the geotextile(Figure 13). Thus, the following probabilities can be defined: probability that a particle will pass through thegeotextile, PPASS = 1 – PO ; probability that a particle will be retained in the geotextile, PIN = PO – PC ; probability that a particle will be retained on the geotextile, PON = PC ; and probability that a particle will beretained in or on the geotextile, PRETAIN = PO = PON + PIN .Four situations can be considered depending on the size, d, of a particle relative to the extremities of the twocurves (O0 , O100 , C0 and C100 ): (i) if d > C100 , the particle is retained at the surface of the geotextilebecause, in this case, there is no constriction larger than d (PRETAIN = PON = 1 = 100%, PPASS = 0); (ii) if O100 < d < C100 , the particle cannot pass through the geotextile because there is no filtration path with an openingsize greater than d, and the particle either remains at the surface of the geotextile or moves into thegeotextile until it meets a constriction that stops it (PRETAIN = PON + PIN = 1 = 100%, PPASS = 0); (iii) if O0 < d <

O100 , the particle has all of three possibilities, it can be retained in or on the geotextile or it can pass throughthe geotextile (PON + PIN + PPASS = 1 = 100%); and (iv) if d < O0 , the particle passes through the geotextile(PRETAIN = 0, PPASS = 1 = 100%).

4.5 Use of the Curves to Compare Modes of Retention by Different Geotexti lesThe probabilities indicated above and illustrated in Figure 13 can be used to compare the mode of particleretention by different geotextiles. To make this comparison rationally, one should remember that retention isa complex mechanism that includes the retention of skeleton particles and the non-retention of fine particles(see Section 3.1). Therefore, to make this comparison, two particles will be considered: a fine particle ofsize df and a skeleton particle of size ds . To take into account the bridging by the skeleton particles (Figure5b), the size of the skeleton particle considered in the comparison will be multiplied by a factor λ (hence a“factored size” λ ds ).

Two nonwoven geotextiles, one thin the other one thick, are compared in Figure 14. For the sake of thecomparison, it is assumed that the two geotextiles have the same filtration opening size, O100 . This is atypical situation faced by a designer who has to make a choice between two apparently equivalent




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geotextiles. (It should be noted that two geotextiles having different thicknesses can have the same O100 only if they have different constriction size distribution curves, i.e. if they are made from different nonwovenmaterials. This will be discussed in greater deteail in Section 4.6.) It is seen in Figure 14 that a particle ofsize ds such that its factored size is greater than the filtration opening size (λ ds > O100 ) is: (i) more likely tobe retained on the geotextile in the case of a thin nonwoven than in the case of a thick nonwoven; and (ii)correlatively more likely to be retained in the geotextile in the case of a thick nonwoven than in the case of a

thin nonwoven. It is also seen in Figure 14 that a fine particle (df ) has a greater probability of being retainedin the case of a thin nonwoven than in the case of a thick nonwoven (both geotextiles having the samefiltration opening size, O100). However, if a particle is smaller than the smallest opening size (i.e. thesmallest of the two values of O0 ), it has a 100% probability of passing through both geotextiles.To use the method described above, and illustrated in Figure 14, to select a geotextile filter, the designermust evaluate the consequences of the identified mode of retention. As a tentative guidance, the followingcomments can be made: (i) as pointed out in Section 3.1, the filter should prevent the skeleton particles frommoving; this goal is better achieved if the skeleton particles are retained on than if they are retained in thefilter; as shown by Figure 14, this requirement has a higher probability to be fulfilled by a thinner than by athicker nonwoven (if both have the same filtration opening size); and (ii) as also pointed out in Section 3.1,some particles smaller than the skeleton particles should pass through the geotextile filter; as shown byFigure 14, this requirement has a higher probability to be fulfilled by a thicker than by a thinner nonwoven (if

both have the same filtration opening size) regarding particles whose size is between the smallest of the two O0 and O100 ; however, if the fine particle size is less than the smallest of the two O0 , the two geotextiles areequivalent.The method illustrated in Figure 14 can be extended to the case where the size of the skeleton particlesvaries between two known limits. (This is the case where the particle size distribution of the soil varies fromone point to another, e.g. along the longitudinal direction of the structure in which the considered filter is tobe used.) This case is illustrated in Figure 15. It appears from this figure that the various retentionprobabilities are proportional to the areas delimitated by the axes and the two curves, the constriction sizedistribution curve and the opening size distribution curve. Figure 15a illustrates the case where all of theparticle sizes in the range of skeleton particles are greater than the filtration opening size of the filter (ds >O100 ). As previouly described (Figure 14), in this case, the skeleton particles are more likely to be retainedon the geotextile in the case of a thin nonwoven than in the case of a thick nonwoven. Figure 15b illustratesthe case where the range of skeleton particles includes sizes that are smaller than the filtration opening sizeof the filter (ds < O100 ). It appears that, in this case, the amount or particles likely to pass through thegeotextile is greater in the case of the thick nonwoven geotextile than in the case of the thin nonwovengeotextile.The method illustrated in Figures 14 and 15 can also be used for woven geotextiles. In the case of a wovengeotextile, the constriction size distribution curve and the opening size distribution curve are identical and,therefore, PRETAIN = PON . Furthermore, the constriction/opening size distribution curve is almost vertical and,as a result, if the skeleton particles happen to be smaller than the filtration opening size, O100 , the skeletonparticles are very likely to pass through the geotextile filter. Therefore, a woven geotextile filter is moresensitive than a nonwoven geotextile filter to variations of the soil particle size distribution curve.The foregoing discussions show that the constriction size distribution curve and the opening size distributioncurve provide the filter designer with a useful method. Only a few examples of the use of this method werepresented; others can be envisioned. From the examples presented, it appears that there may be some

advantages in using thin nonwoven geotextiles. However, it should be noted that the above examples areonly qualitative. The method described above can be effectively used if quantitative data on the constrictionsize distribution curve and the opening size distribution curve are available. This is discussed in the nextsection.

4.6 Structural Parameters Having an Influence on the Openings of Nonwoven Geotextile FiltersA theoretical model of the structure of nonwoven geotextiles (Giroud, 1996) has made it possible to developa chart that provides relationships between the following parameters for nonwoven geotextile filters: thefiltration opening size, the thickness of the geotextile, the diameter of the fibers, and the porosity of thegeotextile (Figure 16). This chart is in good agreement with the results of numerous tests performed onnonwoven geotextile filters (Giroud, 1996). The chart also gives an approximate value of the averagenumber of constrictions that a particle traveling through a nonwoven geotextile filter can be expected to pass

through.Figure 16 shows that, for a given nonwoven material characterized by its porosity, the filtration opening sizesthat correspond to geotextiles of different thicknesses made with this nonwoven material, decrease for




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increasing thicknesses (solid curves in Figure 16). The chart also shows that: (i) the rate of filtration openingsize decrease as a function of geotextile thickness becomes very small (in other words, the filtration openingsize values tend to reach a plateau) when the geotextile thickness is such that the average number ofconstrictions exceeds approximately 25 (which corresponds to a geotextile thickness/fiber diameter ratio of80 for a porosity of 0.9); and (ii) for values of the average number of constrictions less than approximately 15(which corresponds to a geotextile thickness/fiber diameter ratio of 50 for a porosity of 0.9), the filtration

opening size becomes extremely large, which indicates that the range of opening sizes of the variousfiltration paths of the geotextile becomes extremely broad; in other words, the geotextile becomes veryheterogenous. (This is consistent with the comparison of thin and thick geotextiles presented in Section 4.5.) On the basis of these two results from the chart, the following may be concluded for the case of anonwoven geotextile: (i) any thickness in excess of 80 times the fiber diameter (for a typical porosity of 0.9)does not appear to provide any significant benefit regarding the geotextile characteristics relevant tofiltration; and (ii) any thickness less than 50 times the fiber diameter (for a typical porosity of 0.9) is notrecommended due to the risk of heterogeneity of the geotextile characteristics relevant to filtration.The chart also provides a simple method to evaluate the decrease of the filtration opening size of anonwoven geotextile filter due to a thickness reduction resulting from applied compressive stresses (dashedcurves in Figure 16). This is a very useful design tool.Finally, it is interesting to note that the horizontal asymptotes of the solid curves in Figure 16 correspond to

the case of the infinitely thick hypothetical nonwoven geotextile used in the demonstrations presented inSection 4.3. Therefore, the filtration opening size that corresponds to the horizontal asymptotes in Figure 16is a theoretical value of the smallest opening size and the smallest constriction size. Research is underwayto develop a method to experimentally determine the size of the constrictions of nonwoven geotextiles. It willbe interesting to check if the measured values are consistent with the chart of Figure 16. On the other hand,the chart does not provide information on the size of the largest constrictions because the theoretical modelused to establish the chart presented in Figure 16 is not valid for extremely small values of the geotextilethickness/fiber diameter ratio (e.g. tGT / df < 10).

4.7 Conclusions Regarding Filter CharacteristicsFrom the information presented in Section 4, it appears that considerable progress has been made in therecent years regarding the understanding of filtration mechanisms in geotextiles and regarding theknowledge of the structure of nonwoven geotextiles. While further research is still needed on thesesubjects, it is time to put the knowledge we have today into practice.It has been shown that, to develop a good understanding of filtration mechanisms, it is necessary to use theentire opening size distribution curve, and not only the filtration opening size, and that it is also necessary touse the constriction size distribution curve. Filter design approaches based on these curves suffer at thepresent time from a lack of quantitative data; however, examples of uses of these approaches presented inSection 4 show that it is already possible to use them to select between two types of geotextiles which areconsidered as equivalent, based on current criteria.Regarding the structure of nonwoven geotextiles, the chart given in Figure 16 provides a wealth ofinformation useful to manufacturers of geotextiles and designers of geotechnical structures. Manufacturersshould consider, in particular, the information on the influence of parameters such as fiber diameter,nonwoven material porosity, and geotextile thickness on the filtration opening size, which should make itpossible to adjust manufacturing parameters to meet specific requirements for geotextile filters. The

designers should appreciate, in particular, the simple method provided by the chart in Figure 16 forpredicting the opening size of a nonwoven geotextile buried and compressed under tens of meters of soil.The thickness of nonwoven geotextile filters is an important topic. The information provided by Section 4can be summarized in two points: (i) from the data provided on the structure of nonwoven geotextiles, itappears that it is not advisable to use as a filter a nonwoven geotextile whose thickness is less than 50 timesthe fiber diameter and that a thickness more than 80 times the fiber diameter does not seem to bring anysignificant advantage; and (ii) the analysis of the filtration mechanism, performed by associating theconstriction size distribution curve and the opening size distribution curve, shows qualitatively that, in somepractical cases, a thin nonwoven may be more advantageous than a thicker nonwoven (this point requiresmore detailed studies using additional quantitative data on the structure of nonwoven geotextiles). Theconclusion that can be drawn by combining the two above points is that, in some typical cases, a nonwovengeotextile filter whose thickness is between 50 and 80 times the fiber diameter is a defensible choice in the

present state of knowledge.




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5 CONDITIONS FOR THE SUCCESS OF GEOTEXTILE FILTERS IN THEIR APPLICATIONS

5.1 An Adequate Design is Necessary But Is Not Suffic ientSections 3 and 4 present proven methods and provide new information which allow the engineer to performa reliable design of geotextile filters. However, it is important to understand that a design which is performedas an abstract exercise which would consist only of implementing the methods presented in Sections 3 and

4 would not be sufficient for at least three reasons. First, there are generally several possible options fordesigning a filter and it is necessary to evaluate the impact of the selected option on the structure in whichthe filter will be used. Second, a geotextile filter must be installed properly and this is more subtle than itwould seem at first sight. Third, a geotextile filter must resist a variety of physical, mechanical and chemicalactions, during its installation or in service, to be able to perform its function until the end of the service life ofthe structure.The three above points will be addressed in the following paragraphs, which will show that today we have aclear understanding of what ensures the success of a geotextile filter not only on paper, but also in the field,and not only the day the structure is designed, but also during the entire service life of the structure.

5.2 The Geotexti le Filter in the Structure That Surrounds ItA filter is never alone. It is always located between two materials which themselves belong to a structure.

The conceptual design of a filtration system can only be done properly if the interactions between the filterand the adjacent materials, as well as between the filter and the structure, are taken into account. Severalaspects must be considered: (i) the potential problems posed by the soils located upstream of the filter; (ii)the conditions imposed by the materials located downstream of the filter; (iii) the problems likely to resultfrom variations of soil characteristics in the longitudinal direction of the structure; and, finally, (iv) thedetrimental effects that the presence of the geotextile filter could have on the behavior of the structure.These four aspects are discussed below.The soils located upstream of the filter are likely to pose very serious problems, as discussed in Section 2.In summary: (i) there are internally unstable soils that prevent the adequate functioning of any filter; (ii) it istherefore important not to place filters in the presence of such soils, if necessary by using other soils or bychanging the conceptual design of the structure where the filter is to be used; and (iii) today there areavailable methods to identify these soils, which makes it possible to avoid the problems that they may pose.It is important that this message be received and understood not only by the designers, but also by thecontractors. Indeed, one should bear in mind the story of the overzealous contractor mentioned inSection 2.1, the contractor who thought it was a good thing to add a geotextile. It is necessary to make surethat contractors are well informed of the detrimental consequences that may result from geotextiles that arenot at the right place. This information should allow contractors to understand that it is out of the question totry in the field design “improvements” not approved by the designer, especially if these “improvements” areinspired by “common sense” which is already responsible for enough mistakes.The soils or other materials located downstream of the filter are not, in general, likely to pose seriousproblems for the functioning of the filter, such as the soils located upstream. However, they are often likelyto impose conditions that may influence the filter selection. For example, if the drainage material locatedimmediately downstream of the filter is a geosynthetic of the geonet type (or similar), i.e. a material that isthin (compared to a layer of gravel) and if the soil located upstream contains fine particles likely to migrate, itis essential that the filter does not allow many fine particles to pass because the geosynthetic drain, due to

its thinness, does not need many fine particles to get clogged. In such a case, the best solution is, if it ispossible, to recommend that the soil located upstream of the filter be replaced by a soil that does not containfines likely to migrate. If this is not possible, the engineer who designs the filtration system can either: (i)replace the geosynthetic drain by a layer of gravel (sufficiently thick to contain, without significant loss oftransmissivity, all the fine particles likely to migrate from the upstream soil) or by a perforated pipe which canbe cleaned out; or (ii) choose a filter that stops a large number of fine particles (and, consequently, tends toclog) to protect the geosynthetic drain. This last solution is possible only if the engineer has determined thatclogging of the filter (at least partial clogging) is acceptable (i.e. not likely to generate unacceptableconsequences for the structure). Of course, the above discussion is only applicable if the soil locatedupstream of the filter contains fine particles likely to move; in other cases, geosynthetic drains constitute aviable solution. Another condition imposed by a geosynthetic drain is that the filter not be too thick andcompressible so it will not significantly penetrate, under the effect of the normal stresses, into the voids of

the geosynthetic drain and reduce its hydraulic transmissivity to an unacceptable level. This conditionregarding the thickness and compressibility of the filter is, in many practical cases, in conflict with otherconsiderations related to the selection of the geotextile filter; in such cases, the engineer must make a




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choice or a compromise. Another example of a material located downstream of a filter than may affect thefilter selection is a perforated pipe: in all cases where a geotextile filter is required around a perforated pipe,the selected geotextile must have sufficient transmissivity to convey water toward the perforations of thepipe. These many examples show that it is important, during the conceptual design phase of a filtrationsystem, to take into account the material located downstream of the filter.The soil located upstream of a filter may have characteristics that change along the longitudinal direction of

the structure: this is an important point that one tends to forget because, during the conceptual designphase of a filtration system, one considers in general only a transverse cross-section of the structure withoutpaying special attention to what happens in the other direction. The problem of the variation of soilcharacteristics in the longitudinal direction occurs in many cases of filtration systems located in naturalground such as drains along roads and in bank protections. For practical reasons, it is preferable to specifyonly one type of filter for a given filtration system unless the soil characteristics vary excessively from onelocation to another. As it has been shown in Section 4.5, one can use the methods described in this paperto select a type of geotextile filter which would have a greater probability than another geotextile filter tofunction satisfactorily in spite of variations of soil characteristics within certain limits.The detrimental effects that the presence of a geotextile filter could have on the behavior of the structuremust be considered with great attention. In particular, one must evaluate the consequences that may resultfrom a malfunctioning, even slight, of the filter. For example, a decrease in permeability of the filter due to

clogging would not have the same consequences in a dam and in a solid waste landfill. Also, one should notforget that any geosynthetic which performs, satisfactorily or not, a function (e.g. the filtration function) in astructure may have a detrimental effect on some aspects of the behavior of the structure that are not relatedto the function performed by the geosynthetic. For example, a geotextile filter may act as a potential slipsurface which could dangerously decrease the factor of safety for the stability of the structure. It is thereforeessential that these potential problems be borne in mind by the designers of filtration systems: they mustnot only avoid, at the conceptual design phase, the dangerous situations where these problems could occur,they should also, which is most subtle and requires designers with field experience, prepare specificationswhich discourage contractors from being overzealous. Indeed, we have seen contractors extendinggeotextiles beyond the specified limits, believing that they were doing well by not cutting off an excessivelength of geotextile at the end of the roll without thinking that by doing so they were creating a problemaffecting the behavior of the structure.

5.3 A Poor Installation May Prevent the Best Geotextile Filter from Funct ioningOne of the reasons for the success of geotextile filters is, as we have often heard, the ease of installation.Indeed, there are plenty of examples: installing a granular filter on a steep slope is difficult, almostimpossible, whereas installing a geotextile filter is so easy; installing a sand filter in a gravel-filled drainagetrench is quasi impossible, whereas installing a geotextile filter is so easy; placing a granular filter next to ageosynthetic drain is absurd because that would require a graded filter whose thickness and drainingcapacity would exceed those of the geosynthetic drain, whereas installing a geotextile filter next to ageosynthetic drain is so easy. Who would have thought 40 years ago that installing a synthetic materialwould become so natural? Also, geotextiles have been rightfully praised for having characteristics that aremore consistent than those of granular materials due to the modern quality control methods used duringgeotextile manufacturing: it is logically concluded that geotextiles are more reliable filters than granularmaterials, an important conclusion considering that reliability is essential regarding filtration.

It is clear that geotextile filters are usually easy to install. However, it is essential that installation be suchthat the geotextile filter can play the two fundamental roles included in its function (see Section 1.2): thegeotextile must be installed in such a way that it allows water to pass and that it retains the soil. First, ageotextile filter must not have its permeability reduced during installation. To that end, it must be protectedfrom dust and more importantly from mud during storage and placement. It is also possible to select ageotextile filter which will be unclogged relatively easily by the first flow of water which will pass through it if ithas been clogged by dust or mud during installation: research is underway on this subject (Artières andFaure, 1997). Second, the geotextile filter must be placed in such a way that it can effectively retain the soil;this important point is addressed in the following discussion.As seen in Section 3.1, to ensure retention of the soil, a filter must prevent the skeleton particles frommoving and, as seen in Section 2.1, a filter in a geotechnical structure must never be in a situation where itstops particles that are moving. For these two reasons, it is clear that the filter must be in intimate contact

with the soil, as it has always been recommended by the author of this paper (Giroud, 1982b; 1989). Onecan never emphasize enough that this point is absolutely essential. Two cases must be considered,depending on whether the filter is placed before or after the soil located upstream. If the geotextile filter is




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placed first, the soil must be compacted on or against the filter which is easy but must be done with greatcare in order not to damage the geotextile. If the geotextile filter is placed after the soil, which is, of course,the case if the soil is the natural soil, the placement of the geotextile filter must be done with great care toensure intimate contact between the geotextile and the soil. Two conditions must then be met: (i) thegeotextile filter must be flexible enough to conform to the irregularities of the soil surface, and the geotextiledeformation required to conform to the soil surface must not significantly affect the openings of the filter; and

(ii) the material located downstream of the geotextile filter must exert on the geotextile filter a compressivestress sufficiently high and uniform to press the geotextile against the soil. In the case of a drainage trench,a small gravel (for example 20 mm or less) is generally appropriate (Figure 17a) provided that the geotextileis flexible, whereas a coarse gravel (Figure 17b) and the rigid core of a geocomposite drain (Figure 17c) aregenerally not appropriate (because they do not apply a uniform compressive stress). In the case of bankprotection, it is recommended to place a layer of gravel (Figure 18) on the geotextile filter to apply a uniformstress in order to ensure intimate contact between the geotextile and the soil. This layer of gravel has theadditional benefit of protecting the geotextile against mechanical damage during the placement of the blocksand from ultraviolet radiation passing through the blocks. A filter may be required between this gravel layerand the blocks to prevent the gravel from being washed through the blocks by wave action (Figure 18).Of course, the condition of intimate contact with the soil implies that the geotextile filter be continuous, i.e.have no holes: this requires that the geotextile filter be placed with overlaps that are sufficiently wide and

properly designed in order not to separate during construction or later as a result of the deformations due tothe applied loads; this also requires that the geotextile filter resist mechanical, physical and chemical actionswhich could damage it, as discussed in the next section.

5.4 The Geotexti le Filter Must Resist Ac tions Likely to Damage It or Deform ItA geotextile filter must resist a variety of mechanical, physical and chemical actions which could have twotypes of detrimental effects: (i) they could damage the geotextile filter; and/or (ii) they could deform thegeotextile filter, which could cause a modification of its openings. These two types of detrimental effects arediscussed below.The mechanical actions likely to damage a geotextile filter manifest themselves mostly during constructionand have two main causes: (i) the direct action of construction equipment (e.g. the puncture and tear of ageotextile by the blade of a bulldozer); and (ii) the concentrated stresses linked to the size and the angularityof the soil particles in contact with the geotextile and resulting from the applied loads. These loads aredynamic loads due to the traffic of construction equipment on the soil layer located on top of the geotextileand static loads due to the weight of the soil progressively placed on top of the geotextile. The mechanicalactions mentioned above may cause rupture of the geotextile by puncture, tear, grab, or burst. There arestandard tests that simulate those four modes of rupture. Systematic studies have made it possible todevelop correlations between the results of those tests and the resistance of geotextiles to installationstresses. Thus, “survivability criteria”, related to various installation situations, were established. The resultsof puncture, tear, grab and burst tests performed on a given geotextile must show that the geotextile exhibitsa resistance which is greater than that specified in the survivability criteria.A geotextile filter can be damaged during construction (and after, if it is not covered with a soil layer) by theaction of the ultraviolet radiation of sunlight which, after a period of several weeks to several monthsdepending on the type of geotextile, may result in holes having a size of several square centimeters in thegeotextile filter (Tisinger et al., 1994). Some chemical products may have a similar effect. In service, a

geotextile can be damaged by abrasion if it is exposed to repeated actions (movement of blocks due to waveaction for geotextile filters used in bank protection, traffic of railroad cars for geotextile filters used in railroadtracks) or if it is exposed to wind. It should be noted that the resistance of a geotextile to abrasion is afunction, among other parameters, of the size of its fibers, which may be in contradiction, in certain cases,with the need for using small diameter fibers to obtain a small filtration opening size, as indicated by thechart presented in Figure 16.All the mechanical, physical and chemical actions described above result in geotextile damage in the form ofholes which, of course, prevent a geotextile from performing its filtration function properly. In addition tothese destructive actions, one must consider the deformations caused by the stresses that exist in allgeotechnical structures. From the viewpoint of filtration, the potentially detrimental deformations are thosewhich are likely to cause changes in the openings of the geotextile filters. One should distinguish betweenthe compressive stresses and the tensile stresses. Concerning the compressive stresses, it is clear that

they must have little effect on the geotextiles which are not very compressible, such as the wovens and theheat-bonded nonwovens. In contrast, they have a marked effect on needle-punched nonwovens. Thesegeotextiles are compressible and, consequently, their thickness decreases when the compressive stress




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increases. As a result, the size of the filter openings decreases. This effect can be quantified using thechart given in Figure 16 (Giroud, 1996). In contrast, the effect of tensile stress is not well known, which isvery regrettable because these stresses can be locally high, in particular where a geotextile filter deforms toconform to irregularities of the soil surface. Some tests are mentioned in the literature, but, to the bestknowledge of the author, no systematic study is available that makes it possible to draw clear conclusions.From a theoretical standpoint, it is possible to propose the following tentative rationale: (i) in case of a bi-

directional tension, the openings should increase in the direction of proposed tensile stresses and, in thecase of a thick nonwoven, should decrease in the direction perpendicular (i.e. the direction normal to theplane of the geotextile); therefore, it may be concluded that a bi-directional tensile stress should increase thesize of the openings in the case of thin (bi-dimensional) materials such as the wovens and the heat-bondednonwovens, but it is not possible to draw any conclusion in the case of thick materials (a three-dimensional)such as the needle-punched nonwovens; and (ii) the case a uni-directional tension is much more complex; ifthe uni-directional tension is applied on a small specimen, the size of the openings should increase in thedirection of the tensile stress and should decrease in the perpendicular direction(s); therefore, from theviewpoint of filtration, since it is the smallest dimension of an opening that governs the passage of particles,one may conclude that a uni-directional tensile stress applied on a small specimen should result in adecrease of the openings; in reality, the geotextile is not a “small specimen” and a zone of uni-directionaltension generates, in its vicinity, the formation of zones of bi-directional tension where the filter openings

tend to decrease or increase, depending on the type of geotextile, as it has been explained above. It isdesirable that systematic tests be conducted to verify if the tentative rationale presented above is consistentwith reality.

6 CONCLUSION

6.1 A Considerable Experience and an In-Depth Understanding of the PhenomenonNearly forty years after the first use of a geotextile filter, we have accumulated considerable experienceresulting from the use of geotextile filters in thousands of projects. Some of these projects, which haveexperienced problems, teach us what should not be done; so many other projects are successes that remindus that geotextile filters are reliable. The international community of engineers and researchers has beenremarkably active, analyzing not only the problems, but also the successes — as shown by the number ofstudies published on Valcros Dam — which has contributed to the development of a body of knowledgemuch deeper than what it would be if only case histories were recorded. However, in dealing with aphenomenon as complex as filtration, even considerable experience is not sufficient. The majority ofmistakes made in using geotextile filters result from a lack of understanding of the phenomenon rather thanfrom the defective materials. An in-depth analysis of the nature of the phenomenon is, therefore, necessary.It happens that filtration has, in all ages, fascinated the human mind. For example, the invention of the sievehas been one of the most brilliant manifestations of the awakening of intelligence because it required aremarkable intellectual approach, which resulted in mastering the complex relationship between the goaland the tool (separation of three-dimensional discrete elements by a continuous bi-dimensional toolcomposed of uni-dimensional elements) and in imposing on the user a very strict mode of operation withoutwhich the goal could not be reached for lack of abiding by the physical laws that govern the passage ofparticles through an orifice. We have since learned to recognize that there are various types of filtration andthat, for example, the phenomenon of filtration of a soil in a geotechnical structure is drastically different from

the phenomenon of the passage of particles through a sieve. Thus, we have learned that soil retention doesnot consist of “stopping” the soil particles, but of preventing them from moving, and even not all of them: wehave learned that it is sufficient to prevent certain particles from moving, the particles that form the soil“skeleton”, in order to allow those particles to ensure, in turn, the formation of a self-filter which will retain thesoil. We have also learned that, to retain the soil while allowing water to pass, it is necessary to allowcertain soil particles to pass through the filter. In other words, we have learned that the retention of soil as awhole had to be associated with the non-retention of certain particles.We have also learned how to use, in soils, filters with a structure more complex than that of a sieve: thenonwoven geotextile filters. In fact, the structure of nonwoven geotextile is comparable by its quasi randomnature to that of the soil, and the role played by the third dimension, the thickness, in the functioning of anessentially bi-dimensional element such as a filter is a challenge for the modern mind as formidable as thatpresented by the concept of the sieve for our ancestors. This challenge has been met in great part, and we

have learned that the notion of thickness of a geotextile filter is only meaningful if it is compared to thediameter of fibers: a minimum value of the filter thickness/fiber diameter ratio is required to ensure that thenonwoven geotextile filter is homogeneous, but a large value of this ratio may be detrimental. More




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generally, we have learned how to quantify the influence of structural parameters of geotextiles on theirfiltration characteristics, which provides useful guidance to geotextile manufacturers. Therefore, one mayhope that this will encourage the production of new geotextile filters.

6.2 Reliable Methods and ProductsAlthough it is comforting for the user to know that filtration is a well-established science and not a mysterious

art, this is not sufficient. The author of this communication, who is, above all, a practicing engineer knowsthat very well. The user wants to count on reliable products and needs reliable methods for the applicationof these products.There are two ways for a product to be reliable: in its constitution and in its behavior. A product madeavailable to the user must abide by rigorous specifications, and nobody disputes that, with the modernmethods of quality control, the geotextile filters are more reliable than the natural granular filters (sand orgravel). To be reliable in its behavior, a filter must not be too sensitive to variations of the conditions underwhich it is used. It has been shown in this paper that, today, there are methods available for selecting ageotextile filter that is less sensitive than another to variations of soil characteristics as well as for selecting ageotextile filter that does not suffer excessively from damage during construction and in service.Regarding the application of geotextile filters, this paper has shown that there are reliable methods for theconceptual design, the detailed design and the installation. Regarding the conceptual design, today we

know how to identify, hence, how to avoid, the dangerous soils that prevent filters from performing properlyin geotechnical structures; it is important to note that this information has been disseminated in publicationsthat are accessible to modern designers and which were quoted in Section 2 of this paper.Regarding the detailed design, retention criteria are available today which take into account not only the sizeof the soil particles but also other soil characteristics that govern retention, as shown in Section 3 of thispaper. It is regrettable that the weight of traditions has, so far, prevented certain committees fromrecommending such criteria. The users expect, and rely on, guidance from committees whose mission is toguide. For the committees whose past action has been inspired by tradition, an update is required in thelight of the considerable progress that was made in the area of filtration this last twenty years. From thisviewpoint, it is interesting to note that, while tradition dictates to always look toward geotechnical engineeringto seek inspiration or information, it is the impetus given to filtration by the success of geotextiles which hasprovided the motivation for the most fruitful research in the field of filtration these last twenty years.Therefore, it is within the community of those interested in geosynthetics that one may have access to theuseful information. Fortunately, this is a well organized community where information flows. It should alsobe noted that, in addition to the proven methods that make it possible to perform an adequate design ofgeotextile filters, this paper has presented in Section 4 results of recent research that provide usefulinformation for the design of filtration systems in certain critical cases as well as for the selection ofgeotextile filters.Regarding installation, recommendations concerning field considerations that may have an impact on filterperformance are presented in Section 5. In particular, one can never emphasize enough the importance ofan intimate contact between the geotextile filter and the soil, and a geotextile filter which conforms well to theirregularities of the soil should be selected.

6.3 A Clear Vision of the Complexity of the Filtration PhenomenonIn spite of the effort that was made in this paper to present the subject of filtration in a simple way, it remains

that filtration of soil in a geotechnical structure is a complex phenomenon. Therefore, one should beware ofany approach that is not rigorous. Though it is legitimate from the part of the user to want simple methods, itis not appropriate to give the user simplistic methods. This is a point that the committees should keep inmind when they proceed with the so necessary update that was mentioned above.If it is important to be conscious of the inherent complexity of filtration, this should not be a reason or apretext for not using geotextile filters. Unfortunately, a number of people have a negative reactionconsidering complexity. There are those who take shelter under common sense which gives them theillusion of simplicity, or who take shelter under tradition which gives them the illusion of safety. There arealso those who are disoriented by not finding in the discipline of filtration the comfort that mathematics bringsto other disciplines. There are those who think that the mechanism of filtration using geotextiles is too subtleto be reliable and do not want to take the risk of using a technique where the difference between successand failure appears to them to rely on so little. (It is tempting to paraphrase this as follows: regarding

filtration with geotextiles there is a fine line between what passes and what does not pass). There are alsothose who do not want to take the risk of using geotextile filters because they are haunted by the specter ofclogging. To date, as shown in this paper, this complexity which frightens some people has been mastered:




we know how to make the choices that govern the difference between success and failure of a filter and, inparticular, means are available to avoid clogging as well as other potential modes of malfunctioning ofgeotextile filters. Reading this paper should convince those who do not want to take the risk of using ageotextile filter that they deprive themselves from a technique likely to be more reliable than the traditionaltechnique which they prefer to use. One may thus conclude that, in the present state of knowledge, those

who do not want to take the risk of using geotextile filters take a greater risk by not using them.

6.4 A Last WordFiltration hides complex mechanisms behind a facade of simplicity. What an ideal prey for common sensethat revels in first impressions and arrives with its usual following of mistakes! Some of these mistakes havebeen legitimized by tradition which often prefers common sense to analysis — there is no shortage ofexamples, is not the earth flat according to common sense? However, the analyses and research triggeredby the fascinating complexity of filtration mechanisms have led to the present body of knowledge, a body ofknowledge which results in the fact that, with geotextile filters, we have a remarkably reliable technique.It remains to communicate this message to as many people as possible. From this viewpoint there isnothing to fear: if the function of a filter is to retain the soil while allowing water to pass, the subject offiltration is able to retain attention while allowing a lot of ink to flow freely.

ACKNOWLEDGMENTS

The author expresses his gratitude to K.L. Soderman and B.A. Gross for their comments and to K. Holcomb andM. Ramirez for their assistance in the preparation of this paper.

REFERENCES

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