ENS Cachan Année Cours Traitement des sols

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1 ENS Cachan Année Cours Traitement des sols Auteur : Philippe Reiffsteck Laboratoire Central des Ponts et Chaussées Division Mécanique des Sols des Roches et de la Géologie de l Ingénieur 58, boulevard Lefebvre Paris cedex 15 Tél : Fax : philippe.reiffsteck@lcpc.fr

2 AVANT-PROPOS Ces éléments de cours ont été élaborés en s appuyant sur les documents et notes de cours de : - Michel Gambin, Olivier Combarieu, Georges Pilot - ainsi que sur les documents normatifs ou de la littérature spécialisée citée en bibliographie. Date Modification Responsable 11/2006 Version initiale RFK 02/2009 bibliographie RFK 2

3 Plan 1. INTRODUCTION OBJECTIF SANS APPORT DE MATÉRIAUX : AVEC APPORT DE MATÉRIAUX : MÉTHODES DE TRAITEMENT DES SOLS FINS AMÉLIORATION DES SOLS FINS PAR PRÉCHARGEMENT PRÉCHARGEMENT SEUL OU AVEC DISPOSITIONS PARTICULIÈRES PRÉCHARGEMENT PAR LE VIDE (CONSOLIDATION ATMOSPHÉRIQUE) PRÉCHARGEMENT ASSOCIÉ À UN RÉSEAU DRAINANT PRÉCHARGEMENT AVEC ÉLECTRO-OSMOSE RENFORCEMENT DES SOLS FINS RENFORCEMENT PAR COLONNES BALLASTÉES RENFORCEMENT PAR COLONNES DE SOL TRAITÉ À LA CHAUX RENFORCEMENT PAR CONGÉLATION RENFORCEMENT PAR ÉLECTROCONSOLIDATION METHODES DE TRAITEMENT DES SOLS GRENUS PRÉCHARGEMENT PILONNAGE INTENSIF (CONSOLIDATION DYNAMIQUE, COMPACTAGE DYNAMIQUE) PRINCIPE ASPECT THÉORIQUE SOLS POUVANT ÊTRE TRAITÉS MISE EN OEUVRE MÉTHODES D ÉTUDES CONTRÔLE DOMAINE D APPLICATION AMÉLIORATIONS OBTENUES LE SUIVI GÉOTECHNIQUE ET ENVIRONNEMENTAL COMPACTAGE PAR EXPLOSIFS PRINCIPE MISE EN OEUVRE MÉTHODES D ÉTUDE CONTRÔLE DOMAINE D APPLICATION VIBROCOMPACTAGE (VIBROFLOTTATION, ETC., MARQUE DÉPOSÉE) PRINCIPE MISE EN OEUVRE MÉTHODES D ÉTUDE CONTRÔLE DOMAINE D APPLICATION SES VARIANTES VIBRO-REMPLACEMENT VIBRO-REFOULEMENT COLONNES DE BÉTON RÉSULTATS INJECTION PRINCIPE DOMAINES D APPLICATION MISE EN OEUVRE

4 4. CHOIX D UNE MÉTHODE DE TRAITEMENT CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE

5 1. Introduction 1.1. Objectif Améliorer les sols a toujours été, parmi les soucis du bâtisseur, comme une alternative vis-à-vis d'une solution d aménagement du projet comme : adaptation géométrique d un projet de construction en remblai sur sols mous, substitution totale ou partielle des sols de fondation, allègement des remblais, fondation compensée. On ne compte plus les exemples de traitement des sols datant de plusieurs siècles, qu'il s'agisse de préchargement, utilisé préalablement à l'édification de la mosquée bleue à Istanbul, ou de picots de densification, battus sous les murs de certaines cathédrales européennes On peut aujourd'hui classer les techniques d'amélioration, dont la panoplie s'est largement agrandie grâce aux progrès technologiques, selon la liste suivante. Tableau 1 : Techniques d'amélioration des sols MÉTHODES PHYSIQUES - traitement thermique. - congélation,... MÉTHODES CHIMIQUES - certaines injections ; - échanges d'ions,... MÉTHODES MÉCANIQUES - statiques (préchargement) - dynamiques : vibro-compactage, explosifs, consolidation dynamique. INCLUSIONS - colonnes ballastées: - pieux battus, picots. MÉTHODES MIXTES - injections de suspensions : - pieux de chaux,... L'amélioration des terrains peut être réalisée de deux façons différentes, avec ou sans apports de matériaux Sans apport de matériaux : Dans le cas des sables, la densification du terrain par vibration ou compactage est la source d'amélioration des caractéristiques du terrain. Dans le cas des argiles, c'est le pré-chargement des terres, éventuellement accéléré par un réseau de drainage qui provoque une augmentation des caractéristiques du sol en place Avec apport de matériaux : L'introduction de matériaux consiste en la réalisation dans le terrain compressible d'inclusions rigides (ou semirigides) verticales disposées suivant un maillage de surface régulier. Les matériaux d'apport sont naturellement de bonne qualité, le plus souvent secs et pulvérulents ou à base de coulis de ciment durcissant. Les techniques de traitement des sols mises en œuvre sont multiples. Aujourd hui, elles permettent de répondre aux exigences techniques les plus sévères des structures et ouvrages à supporter. Ces procédés ont été systématiquement étendus ou adaptés à toutes les natures et profondeurs de sols (argiles ou sables). Après amélioration des terrains par ces techniques, il est généralement possible de construire : des aéroports (sécurisation des terrains supportant les pistes / hangars / zones de frets), des zones commerciales, des complexes industriels, des silos de stockage, des raffineries (réservoirs, etc ), des zones d habitation 5

6 2. MÉTHODES DE TRAITEMENT DES SOLS FINS. Les méthodes de traitement des sols fins (argiles molles, limons, sols organiques) sont nombreuses et variées. Ce document a pour objet de présenter succinctement leurs objectifs, leur mise en oeuvre, leurs méthodes d'étude et leurs contrôles. Des informations complémentaires beaucoup plus détaillées sont disponibles dans les références bibliographiques citées. Ces méthodes sont regroupées en deux familles de traitement : les méthodes destinées à l'amélioration des sols fins par préchargement. Elles portent sur le préchargement seul ou associé à des procédés permettant d'accélérer la consolidation, drains verticaux et tranchées drainantes, d'une part, électro-osmose, d'autre part ; les méthodes qui visent à renforcer les massifs de sols fins, que ce soit par la réalisation de colonnes (colonnes ballastées ou colonnes de sol traité à la chaux) ou par le renforcement de la structure du matériau (congélation, électro-injection) Amélioration des sols fins par préchargement L'amélioration des sols fins s'obtient par augmentation du degré de consolidation des sols traités. Elle a deux objectifs : accélérer la vitesse de tassement. Le sol traité est ainsi rendu constructible plus rapidement sans redouter, à moyen ou à long terme, des tassements absolus et différentiels importants ; augmenter la résistance au cisaillement. Cette augmentation améliore la capacité portante des sols. Les méthodes d'amélioration des sols fins font toutes appel à des techniques permettant de réduire l'indice des vides, avec diminution du volume d'eau interstitiel des sols partiellement ou complètement saturés. Pratiquement, il existe deux types de méthodes permettant d'améliorer un sol fin pour qu'il supporte un ouvrage dans des conditions de tassement et de stabilité données : préchargement seul, préchargement associé à un réseau drainant préalablement mis en place dans le sol à traiter. Le préchargement consiste à appliquer au sol une contrainte égale à la charge finale, avec éventuellement une surcharge Préchargement seul ou avec dispositions particulières Principe D'un usage courant, cette technique consiste à placer sur le terrain une charge égale à la charge définitive Pf, augmentée éventuellement d'une surcharge Ps, qui assure tout ou partie des effets suivants : - produire un rapide développement des tassements de consolidation primaire, - provoquer rapidement l'apparition et le développement des tassements de compression secondaire, - augmenter la cohésion non drainée du sol. Pour un préchargement avec surcharge, les deux premiers effets sont dominants ; la surcharge temporaire est enlevée lorsque les tassements provoqués sont compatibles avec le bon comportement de l'ouvrage définitif. Le troisième effet est recherché avec une construction par étapes, lorsque la résistance initiale du sol est insuffisante pour supporter sans rupture l'ouvrage définitif et que chaque étape conduit à une amélioration permettant la réalisation de la phase suivante Méthode d'étude L'étude comporte une reconnaissance géotechnique complète du sol à traiter et elle fait appel aux caractéristiques de compressibilité et de résistance au cisaillement du matériau. Elle permet de calculer : - la compensation du tassement de consolidation primaire ; - la compensation du tassement de compression secondaire ; - le gain de cohésion non drainée Mise en oeuvre L'augmentation du degré de consolidation est liée à l'augmentation de la contrainte effective dans le sol de fondation, ce qui peut être obtenu par : - une augmentation de la contrainte totale ; - une diminution de la pression interstitielle. L'amélioration des sols fins par préchargement consiste donc à agir sur l'un de ces facteurs ou à combiner les deux méthodes à la fois, les principaux effets étant alors les suivants : - diminution : de l'indice des vides (augmentation du poids volumique), du volume d'eau interstitiel (donc de la teneur en eau); 6

7 - augmentation : du degré de consolidation ; de la résistance au cisaillement non drainée c u. Le principe des différentes méthodes de réalisation sur chantier est donné par les schémas figures 2-1, tandis que les tableaux 2 et 3 décrivent ces méthodes. a d b e c f Figure 2-1. Méthodes de préchargement par augmentation de contrainte effective et diminution de pression interstitielle Tableau 2 Méthodes de préchargement par augmentation de la contrainte totale. méthode Principe Fréquence d'utilisation, Avantages Limites mise en place d une charge équivalente à la valeur finale. Mise en place d'une charge équivalente à la valeur définitive, plus une surcharge (préconsolidation) Chargement réservoir. par La charge définitive est appliquée suffisamment longtemps à l'avance pour que la consolidation soit suffisamment avancée à la mise en service de l'ouvrage. La mise en place d'une charge supérieure à la charge finale permet d'obtenir un tassement, plus important dans un délai plus court. La charge en excès est enlevée dès que le tassement obtenu est jugé suffisant. Même principe que les deux méthodes précé dentes. méthode utilisée très couramment Méthode utilisée couramment. Méthode spécifiquement adaptée aux réservoirs. Théorie de la consolidation bien connue (sauf sur la prévision des temps de consolidation). Réalisation facile. Bonne homogénéité du traitement. Théorie de la consolidation bien connue. Réalisation facile. Bonne homogénéité du traitement. Théorie de la consolidation bien connue. Réalisation aisée si le réservoir constitue l'ouvrage définitif. Charge appliquée fonction de la capacité portante du sol. Peut nécessiter un chargement par étapes. Peut demander un délai assez long pouvant être réduit par mise en place d'un réseau drainant dans le sol de fondation. Charge appliquée fonction de la capacité portante du sol. Peut nécessiter un chargement par étapes. Demande un volume de remblai supplémentaire. Délai plus court que celui de la méthode précédente, pouvant être encore réduit par réseau drainant. Mise en dépôt ou réutilisation da la surcharge. Peut demander un remplissage progressif du réservoir. Possibilité de réduire le délai de consolidation par un réseau drainant. 7

8 Tableau 3 - Méthodes de préchargement par diminution de la pression interstitielle. méthode Principe Fréquence d'utilisation, Avantages Limites application du vide Abaissement du niveau de la nappe. Le vide est appliqué soit dans des puits, soit dans des drains de sable à partir d'une membrane étanche recouvrant la zone à traiter. le rabattement de la nappe dans un sol compressible provoque des tassements Electroosmose Une différence de potentiel appliquée entre une anode et une cathode provoque un écoulement d'eau vers, la cathode. Méthode utilisée exceptionnelle ment. Méthode peu courante. Méthode utilisée exceptionnelle ment. L'application du vide dans des puits amène une amélioration importante du sol. Élimination des problèmes de stabilité des remblais de préchargement. Cette méthode est plutôt une résultante de travaux provoquait ou nécessitant un rabattement de nappe. Sous réserve de bien maîtriser les paramètres de traitement, la méthode est efficace. Elle est utilisée le plus souvent en travaux provisoires. méthode coûteuse nécessitant des équipements et un personnel spécialisés. applicable aux sols relativement perméables et saturés. Profondeur de traitement limitée à 7 m. Tassements non homogènes. Peut provoquer des tassements importants du sol subissant le rabattement. Tassements non homogènes. Méthode coûteuse demandant des équipements spéciaux et un personnel spécialisé. Utilisable dans les argiles et limons avec k < 10-6 m/s. Difficultés pour prévoir les paramètres et les effets du traitement. Traitement non homogène qui n'est pas irréversible si le sol n'est pas chargé Préchargement par le vide (Consolidation atmosphérique) Description du procédé Il s agit d un procédé de consolidation des sols remplaçant une surcharge classique par la création d'une dépression sous une membrane étanche. Ce vide est maintenu par un double système de pompes, eau, gaz, breveté. Figure 2-2. Principe de la consolidation atmosphérique Le drainage vertical seul permet d'accélérer la consolidation mais l'anticipation des tassements demande du temps, de plus la montée de remblai excédentaire est parfois périlleuse et onéreuse. Le procédé, permet: - de monter rapidement les remblais sans risque de rupture (six à neuf mois au lieu de dix-huit mois) - de garantir, dans le temps, des tassements faibles. Dans ce cas, les tassements dans les trente ans suivant la mise en service de l'ouvrage doivent être inférieurs à 10 cm. Cette technique, simple dans son principe, consiste à disposer sur le sol une membrane étanche et ensuite à créer le vide par pompage sous la membrane. La pression atmosphérique est ainsi utilisée comme une surcharge équivalant à un remblai de 4,5 m d épaisseur ou 10 m d'eau. Elle permet de réaliser en moins de 6 mois la préconsolidation des terrains fortement compressibles. Cette simplicité apparente cache un certain nombre de difficultés pratiques - Étanchéité périphérique - Mise en place de drains verticaux et horizontaux - vidange des drains pour que l équivalence entre préchargement et consolidation par le vide soit réelle. 8

9 Cette méthode présente par rapport aux remblais de préchargement deux avantages principaux - Il n existe aucun risque de rupture à court terme quelle que soit la valeur de c u puisqu il n y a pas d augmentation de la contrainte totale. - En cas de présence de matériaux granulaires avant les niveaux argileux, il y a augmentation des contraintes effectives verticales et horizontales, ce qui est équivalent à créer dans un sol sableux une cohésion fictive de l ordre de 50 kpa pendant toute la durée du pompage Les membranes utilisées sont en PVC ou en PEHD présentant les caractéristiques nécessaires à une bonne réalisation de ce type de travaux. Figure 2-3. Etanchéité périphérique Vue d un chantier en cours de pompage. Tassement au centre (sous l eau) 1,2m. Applications pratiques - Tous les cas de préchargements classiques, - Possibilité de combinaison avec une surcharge de remblai en profitant de augmentation de la cohésion apparente, - Combinaison avec un préchargement à l eau, la membrane étant étanche. La membrane étant très déformable cette méthode est applicable quels que soient les tassements attendus. Grâce à l étanchéité de la membrane et au drainage horizontal, il n y a pas de perte de contrainte due au déjaugeage du remblai passant sous la nappe, pendant le pompage généralité Le principe de cette méthode apparaît simple au premier abord comme on peut le constater par le calcul cidessous. Supposons un sol déjà consolidé sous une faible hauteur de remblai au-dessus duquel est mis en oeuvre une membrane étanche refermée sur des tranchées étanches descendue au moins au niveau de la nappe (Fig. I) Figure 2-4. principe Il suffit pour comprendre le mécanisme de prendre en compte la pression atmosphérique dans les contraintes vraiment totales celte fois et dans les pressions interstitielles. Avant de réaliser le vide à une profondeur z T = z + r.h + Pa = t + Pa u T = z. w + Pa =u t + Pa ' T = T - u T = t - u t = z. + h. r Les indices T étant affectés aux contraintes y compris la pression atmosphérique et t aux contraintes classiques, j étant la contrainte effective initiale avant de faire le vide. Si le vide est maintenu sous la membrane pendant un temps infini T ne change pas, tandis que u T devient u t =z. w + 0 D où f en fin de consolidation devient f = T -u t = i + Pa la contrainte effective est donc augmentée de la valeur de la pression atmosphérique si le rendement des pompes est de 1. Ce raisonnement est valable pour h on est donc en présence d une augmentation des contraintes isotrope Conditions limites. Le raisonnement précédent n est valable qu aux 4 conditions suivantes 9

10 1 / La valeur z doit être faible par rapport à la largeur 2/ II faut r << r 0 pour ne pas avoir d effet de bord 3/ Il faut h faible sinon le raisonnement devient faux car la nappe va monter dans le remblai drainant et provoquera une diminution de f par déjaugeage du remblai. 4/ Le vide doit être réalisable avec des moyens économiques c est à dire qu il faut peu de venue d eau, ce procédé est donc intéressant dans les sols argileux, mais ce sont les seuls sur lesquels on envisage des méthodes d amélioration des caractéristiques par préchargement. En effet, s il n est pas pris de précaution particulière, le schéma d écoulement en cas d une nappe à une certaine profondeur sera celui indiqué sur la figure 2-5 partie droite 3m 12m Figure 2-5. Écoulement de l eau avec et sans drain Loin des bords dans la zone sans drain en supposant que la nappe du sable inférieure est à la même charge hydraulique que l argile et que le rendement de la pompe à vide, y compris tes pertes de charge dans les sables, soit de 0,8, on peut calculer l augmentation de contrainte effective. En prenant l origine au point 0, la charge hydraulique en A reste identique puisque la membrane n a pas une dimension infinie et vaut h=u/ w + z = =12 et h T = = 22 en tenant compte de la pression atmosphérique. Nous avons, avant pompage, la même valeur en B par hypothèse h B = ( = 22) Après pompage h A reste la même, h B devient avec les valeurs prises à la gauche de la figure u/ w + N.Pa + z = 3 + 0,2 x = 17 L augmentation de contrainte effective en B sera donc limitée à 50 kpa ; et 80 kpa, si on ne laisse pas monter l eau dans le remblai. Cette augmentation de contrainte sera nulle en A et la variation entre A et B sera linéaire en fin de consolidation quand l écoulement sera devenu permanent. Dans la partie gauche de la figure, si on empêche la nappe de monter dans les remblais et si l on dispose des drains verticaux, l écoulement va être modifié. En effet, le gradient le plus fort sera toujours horizontal sauf dans la zone située entre la couche de sable inférieure et la base des drains. On se retrouve dans cette configuration dans le cas de calcul initial et l augmentation de contrainte effective sera égale au rendement près à la pression atmosphérique, soit 80 KPa en tout point du massif CDEF. Les effets de bord dans la zone du point C sont réduits au minimum en diminuant la maille des drains en périphérie, comme on le verra plus loin. Techniquement, il est difficile d empêcher la nappe de monter dans les remblais, c est d ailleurs la première cause d échec, avec la réalisation de drains verticaux descendant dans une couche perméable, des tentatives réalisées dans le passé; les collecteurs se sont alors pratiquement remplis d eau et le vide ne put se réaliser correctement. C est pour éviter ces déboires que le système breveté prévoit la réalisation concomitante d un rabattement sous la membrane, celui-ci peut être réalisé de deux façons : 1/ Réalisation de drains horizontaux profonds ou tranchées drainantes (5m de profondeur) 2/ Système de vidange des drains avec pompes plastiques incorporées dans chaque drain pour maintenir l eau à 5m de profondeur environ. Au niveau théorique, l approche est la même et peut se présenter comme suit Aspect théorique. 1.-Diagramme de consolidation classique 10

11 Pour comprendre l intérêt de superposer le rabattement avec l action du vide, il est utile de présenter la consolidation en portant sur un axe vertical, les pressions interstitielles et les contraintes comme expliqué sur la Fig. 2-6 dans le cas d une consolidation classique dans l hypothèse unidimensionnelle de TERZAGHI, les nappes supérieures et inférieures étant à la même charge hydraulique. Figure 2-6. Visualisation de la pression interstitielle totale Figure 2-7. Évolution de la pression interstitielle dans la théorie unidimensionnelle de Terzaghi. Avant toute mise en place de surcharge, à partir d un point O de la surface libre de la nappe, on trace une droite à 45 de cette façon en l absence de consolidation en cours la pression interstitielle a une profondeur z en dessous de la nappe, est donné par la longueur MN. w + Pa. Si on veut réaliser un préchargement avec un remblai de grande dimension (cas unidimensionnel) au temps t=0 la contrainte est transmise à l eau et la pression interstitielle augmente donc de u. La consolidation s opérant petit à petit, la surpression de chaque point de l argile sera donnée par la courbe AN B en l absence de drain pour revenir à AB pour un temps théoriquement infini (Fig. 2-7). La surface AA B BN A représente le diagramme de consolidation et la longueur N P l augmentation de la contrainte effective pour le point M situé à une profondeur z en cours de consolidation. In fine N rejoint N et l augmentation de contrainte effective est la même en tout point de l argile et vaut N P c est-à-dire. Dans le cas d une surcharge de dimensions finies (par exemple un bac de pétrole apportant une contrainte de 80 kpa et de diamètre égal à l épaisseur de l argile) le schéma est celui de la Fig. 2-8 avec l hypothèse simplificatrice d un comportement élastique du squelette solide et d une consolidation unidimensionnelle, même si dans ce cas elle est peu réaliste, NP représente toujours l augmentation de contrainte effective à la profondeur z A B représente la courbe classique de BOUSSINESQ. Figure 2-8. Schéma unidimensionnel avec contrainte diminuant avec la profondeur. 2.- Diagramme de consolidation par le vide En restant dans le même principe de graphique on peut maintenant mieux comprendre trois cas déjà étudiés a) Consolidation atmosphérique sans drain avec nappe à une distance finie (Fig.2-9 ). Dans ce cas, il existe une loi linéaire de l augmentation de la contrainte effective. Ce schéma étant valable que dans la zone centrale en ne tenant pas compte des effets de bord étudiés plus loin, Figure 2-9. Schéma unidimensionnel du pompage sans drains Figure Schéma unidimensionnel du pompage avec drains 11

12 b) Consolidation atmosphérique avec drain arrêté avant une couche drainante. Ce cas est un peu théorique comme on l a vu précédemment pour des problèmes purement technologiques (Fig. 2-10). De plus, dans le cas de sol très compressible le préchargement par un remblai présente l inconvénient d apporter une contrainte qui diminue en fonction du tassement ; la base du remblai en passant sous la nappe se trouve déjaugée et la contrainte apportée diminue. Dans le cas de pompage sous vide avec drains horizontaux, le remblai situé sous la membrane reste évidemment sec Étude de la consolidation réelle. a) Dans les argiles Pour approcher de plus près la réalité des phénomènes, il faut quitter le domaine élastique et effectuer une comparaison entre un préchargement classique et un préchargement par la consolidation atmosphérique. Dans les coordonnées p = /2 et q = 1-3 /2, lors d un essai triaxial (CIU) le schéma des contraintes effectives suit une courbe AB et si ensuite on laisse la consolidation opérer, le point B suit le chemin AC. En appelant A= u/ 1 =BC/2CD on peut écrire u = 3 + A ( 1-3 ) Figure Principe du diagramme p,q Figure Schéma des deux systèmes de consolidation En première approximation on peut considérer que le chemin des contraintes est du même type sous un remblai au moins près du centre b) Dans la méthode œdométrique on s interdit les déplacements horizontaux, donc q / p = cte et le chemin des contraintes suit la ligne Ko de pente 1-Ko / 1+Ko (Ko étant le rapport 3 / 1.). Cette ligne Ko coupe le plan Op ligne Kf en deux zones. Au-dessus les déplacements horizontaux sont vers l extérieur h < 0 sur la ligne h = 0 par définition et en dessous h > 0. Le chemin de contrainte réelle sera donc ABC alors que celui pris en compte par la méthode oedométrique sera AD, C et D ayant le même ' 1 Dans le cas de la consolidation atmosphérique pour un essai triaxial aucun déplacement latéral n'étant empêché on se retrouve évidemment avec ' v = ' h c'est-à-dire sans déviateur et le chemin de contrainte est horizontal de type AE. Les points C D E étant sur une droite à 45 correspondant à la même contrainte ' v. Sur un chantier réel à proximité du remblai de surface il y a un effet de frettage entre la couche supérieure et l argile, ce qui empêchera le déplacement horizontal et le chemin de contrainte sera AD. Globalement les chemins de contraintes se situeront dans l angle AD, A E c est-à-dire dans la zone correspondant à un h positif alors que dans le cas d un remblai il y a toujours h négatif c est-à-dire avec un déplacement latéral vers l extérieur la séparation entre les systèmes étant la droite A D correspondant à l oedomètre c est-à-dire h égal à zéro. On peut donc mettre une membrane à côté de bâtiments sur pieux sans risque de rupture. c) Augmentation de la résistance au cisaillement dans les sols granulaires. Comme on l a vu précédemment, ce procédé ne peut évidemment pas provoquer de rupture bien au contraire puisque le coefficient de sécurité augmente au fur et à mesure de la consolidation. Si l on veut réaliser un préchargement au-dessus d un remblai pour provoquer une accélération du tassement, il sera préférable de mettre le remblai le plus haut possible compte tenu d une rupture potentielle dés argiles sous jacentes et de disposer la membrane au-dessus En effet, aussitôt le vide réalisé, le coefficient de sécurité va augmenter par accroissement de la résistance au cisaillement dans le remblai. Les contraintes effectives v et h vont augmenter de la même valeur et déplacer les cercles de Mohr vers la droite. On peut aussi considérer que tout se passe comme si la courbe intrinsèque du remblai était décalée vers la gauche de npa c est-à-dire que le remblai se comporte comme s il avait une cohésion dont la valeur est proche de 50 kpa. C est ce qui se passe dans un paquet de café sous vide. 12

13 Cm= n.pa.tan(ø) Cette cohésion apparente est toujours présente quelles que soient les déformations. Figure Cohésion fictive dans les remblais due au vide Cette valeur peut modifier énormément le coefficient de sécurité. Dans un cas réel cité dans les exemples de réalisation, le moment résistant dans les tourbes pour la hauteur de remblai maximale de 2,40 m était de 2760 KNm/ml et la cohésion provenant du vide entre A et A ajoutait un moment résistant de 1540 KNm/ml soit plus de 50% Les techniques associées Le préchargement classique par la mise en place d'un remblai temporaire est très souvent utilisé en complément du drainage vertical pour atteindre une consolidation primaire totale et une garantie de plusieurs dizaines d'années sur la consolidation secondaire. La consolidation atmosphérique, grâce au préchargement est encore plus efficace et permet d'économiser temps et matériaux Contrôles Le préchargement ayant pour objet de provoquer la consolidation des sols porteurs, il est nécessaire de connaître, en fonction du chargement et du temps - l évolution des tassements - accessoirement, l évolution de la déformée horizontale du sol lorsque des fondations profondes existent ou doivent être réalisées dans la zone traitée - l évolution des pressions interstitielles à différents niveaux - la résistance au cisaillement non drainé du sol mesurée en place aprés traitement pour s assurer de l efficacité du procédé Préchargement associé à un réseau drainant Principe Les réseaux drainants sont constitués par des drains verticaux ou des tranchées drainantes, mis en place dans les sols à traiter avant chargement pour faciliter le drainage horizontal (figure 12). Le drainage vertical s'applique aux terrains peu perméables et permet d'augmenter considérablement leur vitesse de consolidation. Les drains verticaux en plastique souple plats ou cylindriques, peuvent atteindre des profondeurs de 40 mètres ou plus. Selon la nature et la composition des terrains à traiter, les drains peuvent être également réalisés sous forme de colonnes de sable ou de granulats. Sous la seule pression des terres au repos, les réseaux sont inactifs ils deviennent efficaces dès que le sol est chargé. Les réseaux drainants ont pour seul but d accélérer l évolution de la consolidation entraînée par un préchargement. Les recherches récentes montrent que les drains sont d autant moins efficaces que les sols contiennent plus de matière organique et qu il est ainsi attendu des tassements de compression secondaire Méthode d étude BARRON a donné, en 1948, la solution au problème de la consolidation radiale seule dans un cylindre élémentaire sous un chargement instantané, tous paramètres de sol constants. 2 2 u u 1 u u L équation de la consolidation est Cv. C. 2 r 2 où C r coefficient de consolidation vertical t z r r r obtenu par un essai oedométrique spécifique 13

14 pierres poreuses plaques pleines bague oedométrique drain central Figure Essais oedométriques à drainage vertical et radial Des théories plus récentes permettent de prendre en compte -un chargement linéaire en fonction du temps. -l effet du remaniement périphérique autour du drain - la perte de charge dans le drain - une formation multicouche Toutes ces théories peuvent être prises en compte par des programmes de calcul automatiques. Ces méthodes d étude utilisent le coefficient de consolidation radial C r, qui régit l écoulement radial dans le volume d efficacité du drain. La mesure de C r soit en laboratoire, soit en place, est très importante, puisqu elle conditionne très largement les résultats des calculs théoriques. Pour les chantiers importants, il est prudent et raisonnable de réaliser deux planches d essai une avec drains et l autre sans drains, afin de juger de l efficacité du drainage (éventuellement de sa nécessité) et de choisir finalement les paramètres du traitement (écartement des drains, etc.). Des méthodes d interprétation récentes, de mise en oeuvre très simple (méthode d Asaoka), permettent évaluer à partir des observations du chantier, tassement final, ainsi qu une valeur globale du coefficient de consolidation du sol tenant compte des éventuelles perturbations apportées par la mise en place du drain. L efficacité d un système drainant est liée aux conditions géologiques et géotechniques, â la méthode d exécution et à la pérennité du drain. Deux facteurs permettent de quantifier l efficacité - l efficacité est d autant plus grande que le rapport de la contrainte atteinte par addition de la surcharge à la pression de préconsolidation est plus élevé - l efficacité est d autant meilleure que le rapport du tassement de consolidation primaire au tassement total est proche de Mise en oeuvre Les réseaux drainants peuvent être réalisés (figure 2-15) : par des drains verticaux, préfabriqués ou non, disposés généralement en maille carrée ou triangulaire plus exceptionnellement, par des tranchées drainantes de faible largeur et de profondeur limitée. Figure schéma de mise en place et de fonctionnement du drain Les sols traités par des réseaux drainants sont toujours recouverts d une couche drainante d au moins 0,5 à 1 m d épaisseur. Le plus souvent, cette couche drainante est mise en place avant la réalisation des drains pour permettre la circulation des engins de perforation et d approvisionnement. Cette couche drainante peut étre partiellement remplacée par une ou plusieurs nappes de géotextiles. Les méthodes d exécution sont nombreuses et elles évoluent avec les progrès techniques (matériels de mise en place et matériaux pour drains préfabriqués). 14

15 Figure schéma de principe machine, mise en place et fonctionnement du drain Contrôle En cours de réalisation du réseau drainant, il faut s assurer que le maillage est bien respecté et noter la longueur de chaque drain. Dans le cas de drains foncés, en terrains hétérogènes, il arrive que le refus de fonçage se produise avant le niveau d arrêt théorique. Pour les drains de sable, le diamètre de quelques peut être vérifié à l aide d une «torpille calibrée, ainsi que la profondeur, pour s assurer qu il ne s est pas produit de rupture de la colonne. La vérification doit également porter le volume de matériau drainant introduit dans le forage. Pour les tranchées drainantes, la profondeur ne doit pas excéder la hauteur critique stabilité d un talus vertical, laquelle est parfois surestimée lorsque le sol est hétérogène. Pour juger l amélioration apportée par le traitement, il est toujours nécessaire de prévoir un programme de mesures en place des paramètres - les tassements de la surface et des couches les compressibles (dont l interprétation est facilitée par l utilisation de la méthode d Asaoka déjà mentionnée) - les pressions interstitielles dont l interprétation précise nécessiterait de connaître la position réelle des piézomètres par rapport aux drains - éventuellement, la déformée horizontale (tube inclinométrique) dans le cas où des fondations profondes existent ou doivent être réalisées dans la zone traitée et chargée, - la résistance au cisaillement non drainée, en vue de calculs de stabilité complémentaires. Ces constatations peuvent amener à compléter le système de drainage, par exemple, par adjonction de drains verticaux intercalés dans le maillage initial Préchargement avec électro-osmose Cette technique très délicate et coûteuse est rarement utilisée. Le principe consiste à appliquer une différence de potentiel au sol fin, généralement saturé, qui provoque un écoulement de l eau interstitielle de l anode (pôle +) vers la cathode (pôle -) (figure 2-1). Appelée également électrodrainage, cette manifestation de l électroosmose provoque les effets suivants - La diminution globale de la teneur en eau, ce qui accélère la consolidation et l augmentation de cohésion non drainée du sol. Ces effets peuvent être utilisés pour obtenir un gain de consolidation primaire et de stabilité sous des remblais, un gain de stabilité des talus de déblai ou un gain de partance de pieu (pieu-anode); - l augmentation locale de la teneur en eau à la cathode qui peut être utilisée pour réduire le frottement négatif sur des fondations profondes. Le domaine d application de l électro-osmose concerne les limons et les argiles. L expérience montre, en effet, que la perméabilité électro-osmotique est sensiblement constante pour une large gamme de terrains, égale à (cm/s)/(v/cm). Pratiquement l écoulement élecro-osmotique n est appréciable que pour une perméabilité hydraulique k < 10-6 m/s, et ne devient prépondérant que pour k < 10-7 m/s. L électro-osmose peut également être utilisée pour faire migrer des ions à l intérieur d un sol dont la très faible perméabilité ne permettrait pas d introduire par les méthodes classiques d injection cette méthode, appelée électro-injection ou traitement électrochimique, entre dans le cadre du renforcement des sols fins Renforcement des sols fins L objectif du renforcement des sols fins est de modifier le massif de sol, soit par substitution partielle avec un matériau de meilleures caractéristiques, soit par transformation de la structure du sol. Les caractéristiques globales du sol sont alors radicalement améliorées les charges apportées peuvent être supportées sans rupture du sol de fondation et avec des tassements réduits en amplitude et dans le temps. Cet objectif peut être atteint grâce à la mise en oeuvre de méthodes très différentes - une substitution partielle qui est obtenue par réalisation de colonnes verticales traversant le massif de sol. Ces colonnes sont constituées, soit d un matériau rapporté grenu, très perméable et à fort angle de 15

16 frottement interne (type ballast ) compacté en place (colonnes ballastées), soit du matériau du site lui-même traité en place, le plus souvent à la chaux vive - une transformation de la structure du sol obtenue soit par action temporaire sur l eau interstitielle par traitement thermique (congélation), soit par action sur la structure argileuse à laquelle on fixe des ions stables apportés par filtration sous l action d un courant électrique continu (électro-injection). Ces dernières méthodes sont d un emploi très spécifique et généralement dévolues à des traitements locaux, du fait de leur coût ou de la difficulté de mise en oeuvre Renforcement par colonnes ballastées Principe et mode d exécution par voie humide Les colonnes ballastées technique développée dans les années 60 sont destinées au renforcement de massifs d argile ou de limon elles sont réalisées en deux temps (figure 2-17) - on réalise d abord un forage, dont la profondeur peut atteindre 15 à 20 m, d un diamètre de 0,6 à 1 m, à l aide d une pointe vibrante. Cette pointe comporte un corps cylindrique de 30 à 40 cm de diamètre et de 2 à 5 m de long, enfermant un vibreur horizontal constitué d un ensemble rotatif de masses excentrées entraînées par un moteur placé également dans le vibreur. La pointe pénètre dans le sol sous l action de son poids propre et des tubes susjacents, conjuguée à un lançage en extrémité de pointe (l eau sert également à la remontée des sédiments) et à la vibration de l ensemble ; - le forage est ensuite rempli de matériaux grenus à fort angle de frottement interne (exemple du ballast), la colonne ainsi constituée étant compactée grâce au vibreur. Il est à noter que la vibration n a pratiquement pas d action sur le sol cohérent qui entoure la colonne. Le diamètre final de la colonne dépend de la consistance du terrain naturel, la colonne sera d autant plus large que la consistance du sol est plus faible. Il existe des méthodes dérivées permettant de créer des colonnes de ballast dans le sol : utilisation d un vibreur extérieur fixé sur un tube, pilonnage intensif ( puits ballastés ), etc. Figure Principe de réalisation des colonnes ballastées Principe et mode d exécution par voie sèche Cette technique appelée aussi vibrorefoulement est une variante de la méthode des colonnes ballastées humides. Elle présente divers avantages : - contrôles de qualité sur la densité et le diamètre - aucune production de boue sur le chantier - vitesse d'exécution améliorée - consommation de gravier réduite (survolume contrôlé). Le vibrateur pénètre à la profondeur désirée. Il est retiré de 1 mètre et on introduit du ballast dans la cavité. Le vibrateur redescend et compacte le ballast. La procédure est répétée jusqu'en surface. La qualité des colonnes est contrôlée par la puissance électrique absorbée pendant le compactage, et leur diamètre à une profondeur donnée par la quantité de ballast introduite. Le ballast est chargé dans l'entonnoir (1) par une pelle chargeuse. Un sas (2) contrôle par pesage (4) la quantité de ballast introduite dans le réservoir (3). Après fermeture du sas, un flux d'air sous pression transporte le ballast jusqu'au réservoir (6) par le tube (5). Une valve (7) permet l'évacuation de l'air surabondant. Le ballast tombe par gravité dans le réservoir de pression (8). La pression d'air appliquée à ce réservoir assure la descente du ballast jusqu'à la base où se trouve la jupe de protection (9). Une valve permet l'évacuation de l'air excédentaire. Le compresseur d'air et le générateur électrique sont fixés à l'arrière de la grue (10). 16

17 Figure Principe de réalisation des colonnes ballastées sèche. Le sol renforcé comporte ainsi des colonnes réparties à raison d une tous les un à cinq m 2. Ces colonnes ont un module de déformation très supérieur à celui du terrain naturel de ce fait, lors du chargement du massif renforcé, il y a concentration des charges sur les colonnes. Le matériau les constituant est soumis à une sollicitation de type triaxiale confinement latéral par le sol naturel et chargement axial à partir de la surface. La résistance de la colonne sera d autant plus élevée que l angle de frottement interne du matériau constitutif sera plus fort. Les colonnes ballastées s emploient pour améliorer la stabilité dans des cas difficiles ou pour réduire de façon très appréciable les tassements d ouvrages divers. En raison de leur coût assez élevé, elles sont donc destinées à des traitements localises tels que fondations, remblais d accès à des ouvrages d art, fondations de bâtiments, sols support de réservoirs Méthode d étude (voir polycopié fondation) L étude d un renforcement par colonnes ballastées comporte plusieurs aspects. - D une part, l étude de la capacité portante de la colonne détermination du rapport entre la section de la colonne et de sa zone d influence, choix des dimensions des colonnes, choix du matériau. Dans les calculs les plus simples, on admet que la colonne se comporte comme une éprouvette triaxiale confinée par le terrain naturel. En fait, le comportement de l ensemble dépend de la résistance au cisaillement non drainée de l argile et plus généralement de sa loi de comportement, de l angle de frottement interne du matériau de la colonne, de la contrainte latérale appliquée par le sol à la colonne, etc. - D autre part, le calcul de tassement du sol renforcé. En admettant que le sol et la colonne ne sont sollicités que dans le domaine élastique, les charges se répartissent sur les colonnes et le solen fonction du produit module x aire de chacun des deux matériaux. On admet généralement que le rapport des modules élastiques de la colonne à celui du sol est de l ordre de 10 - Un calcul de stabilité au grand glissement peut être entrepris dans le cas où existe un risque de rupture par glissement transversal (remblai construit sur massif d argile renforcée. Dans ce cas, on considère que les colonnes participent à la résistance au cisaillement. Éventuellement un calcul de consolidation radiale est réalisé dans le cas d un chargement progressif impliquant l amélioration de la résistance au cisaillement de l argile molle. Les colonnes étant constituées de matériaux drainants, peuvent en effet agir comme de gros drains verticaux et s étudier comme tels Contrôle des colonnes ballastées Les colonnes ballastées ne peuvent jouer leur rôle que si la continuité du remplissage en matériaux est bien assurée. Ce point, très important, nécessite un contrôle dont les modalités sont prévues, entre autres dispositions, dans le fascicule 13-2 des Documents Techniques Unifiés (D.T,U.). Un contrôle des propriétés mécaniques est exercé sur au moins une colonne pour 50 colonnes exécutées avec un minimum de 3 par ouvrage. A partir de 1 m de profondeur les résistances minimales à atteindre dans l axe de la colonne sont Rd = 15 MPa selon le pénétromètre dynamique, Rp = 10 MPa selon le pénétromètre statique, P1 = 1,5 MPa selon le pressiomètre, N = 30 au S.P.T. (Cette mesure demeure difficile du fait du cheminement incertain de l appareil au sein de la colonne). Par ailleurs, un essai de chargement au moins devra être réalisé par chantier de plus de 800 m de colonnes 17

18 Renforcement par colonnes de sol traité à la chaux Dans le cas des argiles molles peu consistantes et éventuellement dans celui des limons, on peut réaliser des colonnes de sol traitées en place à la chaux vive. Cette technique a été mise au point en Suède vers 1975, pour le traitement d argiles sensibles dont la cohésion non drainée est de l ordre de 10 à 20 kpa Principe On rappelle que l action de la chaux vive dispersée dans un sol se traduit par les effets suivants - réaction d hydratation (formation de Ca(HO2)) rapide et fortement exothermique cet apport de calories se traduit par une diminution de la teneur en eau : - modification immédiate des propriétés géotechniques sol résultant de l apport des ions Ca et de la floculation des particules argileuses (augmentation cisaillement et diminution de la résistance au de la compressibilité). Ceci se traduit notamment par une diminution de l indice de plasticité - modification lente de la structure de l argile par formation d aluminates et silicates de calcium hydratés. A titre d exemple, une argile molle traitée avec six pour cent, en poids de sol nu sec, de chaux vive, a vu sa résistance au cisaillement multipliée par cinquante au bout d un an, dont le tiers en un mois et la moitié en deux mois Mise en oeuvre Le mélange de la chaux avec le sol en place se fait à l aide d une machine de forage équipée tarière développée spécifiquement pour cet usage (figure 2-18), Ce matériel permet l exécution colonnes de 0,5 m de diamètre environ, dont la longueur peut atteindre 15 m. La cadence d exécution est de l ordre de 50 m/heure. Ces colonnes de sol traité à la chaux s utilisent pour : - le renforcement de fondations argileuses support de remblais (amélioration de la stabilité et diminution des tassements) ou de bâtiments légers (amélioration globale de la portance, diminution des tassements); - le confortement de glissements de versants naturels; - la réalisation d ouvrages de soutènement (figure 2-19). Figure Principe de réalisation des colonnes de soil-mixing Contrôle A la fabrication, ils concernent le dosage en chaux, réalisé automatiquement et en continu sur la machine. Après l exécution, on peut étudier l efficacité du traitement sur carottes prélevées dans une colonne (homogénéité de la distribution de chaux dans l argile, amélioration des caractéristiques mécaniques). Le suivi du comportement de l ouvrage construit est classique: par exemple, mesure des tassements et des pressions interstitielles dans le cas d un remblai Renforcement par congélation Principe La congélation de l eau interstitielle d un sol conduit à un matériau dont les propriétés sont temporairement améliorées tant que la congélation est entretenue. Le procédé est d une efficacité radicale, mais d un coût très élevé, de sorte que son emploi demeure limité aux cas d une difficulté exceptionnelle pour lesquels les autres procédés de traitement ont été éliminés. 18

19 Figure traitement par congélation à Nice d une zone sous chaussée traversée en tunnel et à Vienne sous bâtiment pour tunnel de métro Mise en oeuvre La congélation est réalisée par l une des deux méthodes suivantes : - circulation de saumure, avec éventuellement cycle de détente d un gaz réfrigérant; - circulation et passage en phase gazeuse d azote liquide. Compte tenu de la très basse température impliquée (-196 C) cette technique permet une progression rapide du front de gel et une grande souplesse dans le maintien de la zone gelée. Par ailleurs, l encombrement de l installation de chantier est assez faible Contrôle Le contrôle vise essentiellement le champ des températures de la zone congelée, ainsi que les déplacements de cette zone, car les sols gelés sont sujets à des déformations de fluage qui dépendent de la température appliquée Renforcement par électroconsolidation Principe On a décrit précédemment le procédé de traitement par électro-osmose. La circulation du courant électrique dans le sol peut également être utilisée pour faire migrer dans celui-ci des ions que la faible perméabilité du sol ne permettrait pas d introduire par filtration hydraulique ou par injection. On renforce ainsi la structure du sol avec des ions provenant soit de barres de fer, soit de solutions de silicate de sodium, de chlorure d ammonium, etc. Il est important de noter que le traitement se produit à volume constant et ne perturbe donc pas les constructions voisines Mise en Oeuvre L anode est constituée, soit de barres métalliques dont les ions passent dans le sol (anode soluble ), soit d une solution d un sel adéquat (anode liquide ). Le traitement se fait sous des tensions dont les gradients sont de quelques dizaines de V/m et des intensités qui varient de quelques ampères à quelques dizaines d ampères appliquées pendant une à plusieurs semaines. Ce procédé s emploie dans des cas spécifiques très divers, pour lesquels toutes les autres possibilités de traitement ont été éliminées méthode d étude Une étude sur échantillons en laboratoire permet de dégager les principaux paramétres de traitement (choix des électrolytes, choix des paramètres électriques). Un essai préalable en place est indispensable pour vèrifier l adéquation du procédé aux conditions pratiques d exécution et à leur ajustement. 3. METHODES DE TRAITEMENT DES SOLS GRENUS Les méthodes d amélioration des sols grenus font appel à des processus très divers densification par augmentation statique de la contrainte (préchargement) ; remplissage des vides (injection); dislocation de la structure, puis restructuration par des actions externes au massif (chocs du pilonnage intensif) ou internes au massif (vibrations, explosions). Face à la complexité des phénomènes induits, les approches théoriques sont difficiles. A ce jour, ces méthodes ont un support essentiellement expérimental ou empirique et un ajustement doit toujours intervenir sur le site lors de la réalisation de plots d essais. Par ailleurs, ces méthodes sont souvent de mise en oeuvre rapide et relativement facile. 19

20 3.1. Préchargement On ne développera pas en détail le principe de cette méthode déjà largement explicitée dans la partie relative au préchargement des sols fins. Le mode de réalisation est le même mais la perméabilité élevée des sols grenus conduit à des gains de temps importants par rapport au préchargement des sols fins. Directement appliquée aux sols grenus, cette technique a pour objectif de limiter, voire d annuler, les effets d un chargement ultérieur Pilonnage intensif (consolidation dynamique, compactage dynamique) Principe La chute de masses destinée au compactage des sols est un procédé ancien mais les premières analyses théoriques ne datent que de 1948 (W.A. LEWIS). C est à partir des années que L. MENARD a promu cette technique sous sa forme actuelle (figure 3.1) et lui a fait connaître un développement rapide. Le compactage dynamique vise l'amélioration des propriétés géotechniques de sols lâches sur de grandes profondeurs par l application d impacts de très forte intensité. Elle nécessite l'emploi de masses de 15 à 40 tonnes en chute libre d'une hauteur de 10 à 40 mètres. La disposition des points d'impact et les autres paramètres du traitement du traitement : énergies, phasages, périodes de repos, dépendent des caractéristiques du terrain à traiter et des résultats des planches d'essai initiales. a) b) Figure 3-1. Méthodologie de compactage a) b) Figure 3-2. (a) Un engin de compactage (150 kn tombant de 25m) (b) Aspect d'un chantier avant comblement des cratères. Quand il n'y a pas soulèvement entre cratères, le volume de ceux-ci, rapporté à la surface d'une maille, représente la diminution de volume par unité de surface de la couche densifiée. Dans les cas les plus simples (sols grenus lâches), les cisaillements induits se font avec diminution de volume, donc avec accroissement de la résistance au cisaillement et diminution de la déformabilité. Les chocs provoquent une augmentation de la pression interstitielle qui peut conduire à la liquéfaction du sol. Par la suite, ces surpressions interstitielles sont appelées à se dissiper. Les effets attendus de cette technique sont : 20