INTERET DES RENFORCEMENTS GEOSYNTHETIQUES SUR LE COMPORTEMENT DES REMBLAIS SUR INCLUSIONS RIGIDES

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1 INTERET DES RENFORCEMENTS GEOSYNTHETIQUES SUR LE COMPORTEMENT DES REMBLAIS SUR INCLUSIONS RIGIDES INTEREST OF GEOSYNTHETIC REINFORCEMENT ON THE MECHANICAL BEHAVIOR OF LOAD TRANSFER PLATFORMS OVER RIGID INCLUSIONS Audrey HUCKERT 1, Sébastien REYNAUD 1, Pascal VILLARD 2, Germain AURAY 3 1 Egis Géotechnique, Grenoble, France 2 UJF-Grenoble 1, Grenoble-INP, CNRS UMR 5521, 3SR Lab, F-38041, France 3 Texinov, La Tour-du-Pin, France RÉSUMÉ Le dimensionnement de renforcements géosynthétiques au sein de plateformes de transfert de charges sur inclusions rigides reste problématique dans la mesure où l'apport du géosynthétique reste difficilement quantifiable. Ainsi, une expérimentation en vraie grandeur a été réalisée dans le cadre d'un chantier de la future ligne à grande vitesse reliant Bordeaux et Tours. L'objectif de cette expérimentation est de compléter les connaissances actuelles sur le sujet, notamment au niveau des tassements, déformations du renforcement et reports de charge au sein de la plateforme granulaire. Des plots renforcés et non renforcés ont été testés à des fins comparatives. ABSTRACT The analytical design of geosynthetic-reinforced load transfer platforms over rigid inclusions remains difficult due to the difficulty to quantify the role of the geosynthetic reinforcement. Thus, a full scale experiment is performed on a construction site of the future high speed track between Bordeaux and Tours, with the aim to complete the current knowledge on the subject. Reinforced and unreinforced load transfer platforms are tested for comparison. Settlements, strains of the reinforcement and load transfers within the granular platform are therefore monitored during the construction of the embankment. 1. Introduction L aménagement de nouvelles infrastructures linéaires de transport telles que les lignes ferroviaires à grande vitesse est contraint par la traversée de régions dont les terrains présentent de faibles caractéristiques mécaniques. Dans le cas de cette étude sur la ligne à grande vitesse entre Bordeaux et Tours, il s agit d anciennes régions lacustres caractérisées par la présence d horizons limoneux compressibles. La construction d'un remblai ferroviaire a nécessité l'amélioration des caractéristiques mécaniques du sol afin de limiter l'ampleur des tassements sous l'effet de la charge de l ouvrage. La solution technique d amélioration du sol qui a été retenue dans le cadre de ce projet est la réalisation d'inclusions rigides en béton. Cette solution présente un risque de poinçonnement de la base du remblai susjacent, qui peut être limité par l emploi d un renforcement géosynthétique.

2 1.1. Bilan des connaissances actuelles Les différentes méthodes de dimensionnement existantes d un géosynthétique renforçant une plateforme de transfert de charges sur inclusions rigides s appuient sur des travaux expérimentaux successifs. Ainsi, la révision de la norme anglaise BS8006 (British Standard, 2010) évalue les transferts de charge sur le renforcement géosynthétique en utilisant soit la méthode de Marston (John, 1987), soit la méthode de Hewlett et Randolph (1988) qui considère un transfert de charge vers les inclusions rigides sous forme d un dôme hémisphérique. Plus récemment, les recommandations allemandes et néerlandaises (EBGEO, 2010, CUR, 2010) s appuient sur les résultats de Kempfert et al. (1997, 1999) et de Zaeske (2001), qui présentent les reports de charge vers les inclusions rigides et le géosynthétique par un système de voûtes hémisphériques non concentriques. Plus récemment, les expérimentations en vraie grandeur du projet national de recherche A.S.I.R.I. (Amélioration des Sols par Inclusions Rigides) ont permis de préciser certains aspects du comportement des géosynthétiques comme la localisation des déformations autour des têtes des inclusions (Briançon et Simon, 2012). Enfin, des expérimentations de laboratoire récentes (Van Eekelen et al., 2012a, 2012b) ont abouti à la proposition d'une forme triangulaire inversée de la distribution de contrainte sur le renforcement géosynthétique, et de définir un nouveau modèle de report de charge par hémisphères concentriques dans le remblai (Van Eekelen et al., 2013). Néanmoins, quantifier l apport du géosynthétique dans la plateforme de transfert de charges reste peu aisé Contexte de l'étude expérimentale Pour répondre à cette problématique et compléter les connaissances actuelles, des études expérimentales en vraie grandeur ont été entreprises dans le cadre du projet FUI GéoInov (Conception de géosynthétiques hautes performances sous contraintes environnementales). Ce projet regroupe des partenaires issus de l industrie et de la recherche : les entreprises Texinov, Afitex et Bihr, le bureau d études Egis Géotechnique, l IFTH (Institut Français du Textile et de l Habillement), le laboratoire 3SR (Sols, Solides, Structures Risques) et le Cnam (Conservatoire national des arts et métiers). Il est co-labellisé par les pôles de compétitivité Techtera et Fibres dans le cadre du 10ème appel à projets de la DGCIS (Direction Générale de la Compétitivité, de l Industrie et des Services) Fonctionnement du renforcement géosynthétique sur inclusions rigides Une partie des charges dues au poids du remblai est directement transmise aux pieux grâce à des mécanismes de transfert de charge qui se développent au sein de la plateforme de transfert de charge. Les charges restantes sont supportées en partie par le sol support et pour autre partie par le géosynthétique qui se déforme en membrane. Le rôle du renforcement géosynthétique est de contribuer aux transferts de charges vers les inclusions rigides, de diminuer les sollicitations du sol support et

3 donc de limiter les tassements lors de la mise en œuvre du remblai. Le géosynthétique se déforme en conséquence, avec un déplacement vertical plus important au centre de la maille d inclusions qu au droit des inclusions elles-mêmes. Cette différence de déplacement vertical du renforcement géosynthétique induit sa mise en tension par effet membrane, les principales déformations du géosynthétique restant localisées à l aplomb des inclusions rigides. Surcharge Géosynthétique Matelas de transfert de charge Effet voûte Géosynthétique Inclusion Horizon compressible Effet membrane Substratum Figure 1. Principe de fonctionnement d'un renforcement géosynthétique sur inclusions rigides De plus, de par sa position en base du remblai, le renforcement géosynthétique permet par effet membrane de limiter le poinçonnement de la plateforme de transferts de charge par les inclusions rigides sous- jacentes. 2. Description des expérimentations en vraie grandeur Les expérimentations sont réalisées sur le lot n 12 de la nouvelle ligne ferroviaire à grande vitesse SEA (Sud Est Atlantique) Description des plots expérimentaux Le principe des expérimentations consiste à mesurer les contraintes verticales et les tassements en base d un remblai fondé sur sol renforcé par inclusions rigides au fur et à mesure de la montée du remblai. La zone d étude comprend un remblai de 2,4 m de hauteur sur un réseau d inclusions rigides en béton de type CMC (Ménard) de 8,3 m de long et de 0,3 m de diamètre, selon un maillage carré de 1,7 x 1,7 m (soit un taux de recouvrement de 2,45 %). Sept mailles d inclusions rigides (notées M1 à M7, Figure 2) réparties sur deux zones sont instrumentées. On distingue la zone 1 renforcée par deux géogrilles Notex PVA C (Texinov) croisées et placées à la base de la plateforme de transfert de charges, et la zone 2 sans renforcement. Les deux zones instrumentées sont situées à proximité de l axe du remblai. Le matériau de remblai est une grave 0/63 mm. Ses caractéristiques minimales sont définies par les données du projet suivantes :

4 - poids volumique : 21 kn/m 3 ; - cohésion : 0 kpa ; - angle de frottement interne : 35. La géogrille de renforcement a par ailleurs fait l objet d essais de traction selon la norme NF EN ISO 10319, avec pour résultat une résistance en traction de 800 kn/m à 6% de déformation. Remblai 1,6 m Axe du remblai PTC Géogrilles Niveau n2 0,8 m 0,2 m Niveau n1 1,7 m (a) (b) Figure 2. Représentation schématique en plan (a) et en coupe (b) des plots expérimentaux 2.2. Mise en œuvre La zone expérimentale ayant été réceptionnée avec une couche de 0,3 m de matériau recouvrant les inclusions rigides, il a été nécessaire de décaisser précautionneusement la zone 1 et la zone 2 afin de poser les capteurs de pression totale et de tassement en tête des inclusions (niveau n1). Ces capteurs ont été enfouis dans une couche de sable protectrice, puis le matériau de remblai est mis en œuvre sur 0,8 m d épaisseur. En zone 1, la couche de sable protectrice atteint 0,2 m d épaisseur au-dessus de la cote des têtes d inclusions et les deux géogrilles croisées sont mises en place à des hauteurs respectives de 0,2 et 0,4 m au-dessus des têtes d inclusions. Le niveau n2 (Figure 2) est instrumenté lorsque la plateforme de transfert de charges de 0,8 m d épaisseur est réalisée. Une fois les capteurs protégés par une couche de sable, le reste du remblai est monté par passes de compactage de 0,4 m. En parallèle, le système d acquisition et la zone de référence des capteurs de tassement ont été installés sur des plots en béton.

5 Zone 1 Fibre optique Réseaux de Bragg Capteurs enfouis (maille M4) Inclusion rigide CPT (maille M3) (a) (b) Figure 3. Pose des capteurs au niveau n1 (a) et de la géogrille instrumentée (b) 2.3. Instrumentation La base (niveau n1, à la cote z = 0) et la partie supérieure (niveau n2, à la cote z = 0,8 m) de la plateforme de transfert de charges (PTC) sont toutes deux instrumentées (Figure 3) Contraintes verticales dans la plateforme de transfert de charges Des capteurs de pression totale placés sur les niveaux n1 et n2 au droit des inclusions rigides permettent de mesurer les reports de charge vers les inclusions rigides avec une précision de ± 1,5 kpa. D autres cellules de pression totale sont mises en place au centre de la maille d inclusions rigides ou en position intermédiaire afin de déterminer l'évolution du report de charge Tassements des inclusions et du sol compressible Les tassements en base de plateforme de transfert de charges sont mesurés avec une précision millimétrique par des capteurs de tassement de type transducteurs de pression. Ces capteurs sont également répartis sur la maille d inclusions rigides (Figure 4) Déformations des géogrilles Une attention particulière a été portée à la mesure de déformation dans les géogrilles. Une fibre optique équipée de 6 réseaux de Bragg a été intégrée aux renforcements en tenant compte du calepinage et de l espacement entre files d inclusions rigides voisines. Les réseaux de Bragg ont été concentrés à proximité des têtes d inclusions rigides, où les déformations les plus significatives sont attendues.

6 Vue en plan Zone 1 (Géogrilles) IR 3 Vue en plan Zone 2 IR 7 M4 M1 CPT1-1 M5 CPT5-1 CPT1-2 CPT5-2 T4-5 CPT1-3 CPT5-3 IR 4 T4-2 T4-4 T4-3 T4-1 IR 1 T2-1 IR 2 FO4 CPT4-1 T2-2 T2-3 CPT4-2 T2-4 CPT4-3 T2-5 IR 9 IR 8 CPT7-1 CPT7-2 CPT7-3 T6-1 M3 M2 FO3 M7 M6 FO1 FO2 Légende : Inclusion rigide CPT 1 capteur à z = 0 m (niveau n1) CPT 1 capteur à z = 0 m (niveau n1) et 1 capteur à z = 0,8 m (niveau n2) 3. Résultats expérimentaux Figure 4. Instrumentation mise en œuvre L expérimentation étant en cours, seuls les premiers résultats expérimentaux disponibles à ce jour sont présentés ici. Ainsi les mesures par fibres optiques sont données pour une hauteur de remblai de 2 m alors que les tassements, les déformations et les reports de charge sont présentés pour des hauteurs de remblai allant jusqu'à 2,4 m Déformations des plots expérimentaux Tassement 1 capteur à z = 0 m (niveau n1) Fibres optiques Les tassements différentiels mesurés sur la maille M2 (Figure 5) pour une hauteur de remblai de 1,6 à 2,4 m atteignent 8 à 16 mm environ. Il s'agit du différentiel de tassement mesuré entre le capteur considéré et le capteur en tête d'inclusion (T2-2, Figure 4). On observe une progression logique des valeurs de tassement en fonction de la montée du remblai, et de la position du capteur dans la maille : le tassement différentiel est maximal au centre de la maille, et diminue lorsqu on se rapproche de l inclusion. La déformation maximale des géogrilles est relativement faible, de l ordre de 0,1 à 0,2 % pour une hauteur de remblai de 2 m (Figure 6). Le chargement ne semble pas suffisamment conséquent pour mettre les géogrilles en tension de manière significative, et les profils de déformation sont à considérer de manière qualitative. De plus, lors de la pose des géogrilles, il est très difficile d'assurer leur planéité, ce qui engendre inévitablement des déformations initiales de compression ou de traction notamment au niveau n1. Dans ce contexte et pour le niveau de charge

7 T2-3 T2-3 T2-4 T2-4 T2-1 T2-1 T2-5 T2-5 Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur JNGG2014 Beauvais 8-10 juillet 2014 actuel, seules les valeurs obtenues au niveau n2 ont été jugées représentatives du comportement attendu, à savoir des déformations maximales à l aplomb des inclusions rigides, ce qui reste cohérent avec les résultats du projet national A.S.I.R.I (Briançon et Simon, 2012). T2-2 T2-2 Figure 5. Tassements en base de la plateforme de transfert de charges (Zone 1 - Maille M2 - Capteurs de tassement) Figure 6. Valeurs brutes des déformations sur les profils FO3 et FO4 (H = 2 m) Pour ce niveau de chargement, les évolutions des tassements en base de plateforme de transfert de charges et des déformations de la géogrille restent faibles mais conformes aux évolutions théoriques attendues Report de charges et contraintes verticales dans le remblai Les mesures de contrainte verticale provenant de capteurs positionnés dans la même configuration sont moyennées, distinguant les niveaux n1 et n2, les cas avec et sans géogrille, ainsi que les positions au droit de l'inclusion (capteurs en maille X

8 nommés CPTX-1), au centre de maille (CPTX-3), et entre ces deux positions (CPTX- 2). Au niveau n1, les contraintes augmentent le plus sur les capteurs CPTX-1, illustrant un report de charge vers les inclusions avec une valeur maximale en zone renforcée par géogrille (Figure 7). Pour les faibles hauteurs de remblai la contrainte en milieu de maille correspond approximativement au poids propre du remblai. De même, au niveau n2, la présence du renforcement et la position du capteur influe peu sur la mesure de la contrainte verticale qui est égale à la surcharge due au poids du remblai. N1 N2 (a) (b) Figure 7. Reports de charge vers les inclusions rigides Une analyse plus détaillée des contraintes et du report de charge vers les inclusions rigides au niveau n1 a été menée (Tableau 1). Ce report de charge, ou efficacité E, est calculé comme le rapport entre les efforts transmis aux inclusions rigides et le poids du remblai : E F F IR Maille D² / 4 H s² (1) Avec : H la hauteur de remblai de poids volumique Ɣ (valeur expérimentale à confirmer), σ la contrainte moyenne mesurée par le capteur, s le côté de la maille et D le diamètre des inclusions rigides. Si l'on compare les mécanismes de transfert de charge vers les pieux entre les zones 1 et 2 on constate que le report de charge est de l'ordre de 11 % en zone 1, et de 7 à 8 % en zone 2 pour un remblai de 2,4 m de haut soit une différence de reports de charges de l'ordre de 4 % entre les zones 1 et 2, ce qui est peu prononcé à ce stade de l'expérimentation. Néanmoins, les disparités entre mesures de capteurs de même positionnement sont faibles, de l'ordre de 10 à 15 %, ce qui atteste de la bonne mise en œuvre des capteurs. Si l'on considère que les géogrilles sont peu

9 mobilisées, on en conclut que le report de charge se fait majoritairement au sein de la plateforme de transfert de charge; la valeur de 10 % de report de charge obtenu restant cohérente avec le taux de recouvrement de 2,45 %. Tableau 1. Reports de charge vers les inclusions rigides pour 2,4 m de remblai Maille M1 M3 M5 M7 Renforcement Géogrille Géogrille - - Contrainte verticale sur l'inclusion - niveau n1 (kpa) 243,4 219,6 169,2 144,0 Ecart sur la valeur de contrainte verticale entre capteurs 9,8 % (23,8 kpa) 14,9 % (25,2 kpa) Report de charge sur l'inclusion - niveau n1 (%) 11,8 10,7 8,2 7,0 4. Conclusion Sept mailles d'inclusions rigides ont été instrumentées dans le cadre du projet de la future ligne ferroviaire à grande vitesse reliant Bordeaux et Tours, afin de compléter les connaissances actuelles en matière de renforcements géosynthétiques au sein des plateformes de transfert de charges sur inclusions rigides. Cette instrumentation a consisté en la pose de capteurs de pression totale, capteurs de tassement et de géogrilles instrumentées par fibre optique. Il est prévu de poursuivre les mesures jusqu'à la pose du ballast qui devrait démarrer en fin d'année Les mesures permettent de constater un tassement du sol et une déformation des géogrilles qualitativement pertinents bien que faibles compte tenu du maillage serré des inclusions et du niveau de chargement atteint. Concernant le report de charges en tête d'inclusions, l'analyse des mesures ne permet pas de montrer significativement l'influence des géogrilles sur les transferts de charges en raison du faible taux de mobilisation des géogrilles. Néanmoins le transfert de charge est bien observé et avéré. Ce transfert de charges sera particulièrement analysé jusqu'au terme des mesures afin de tenir compte de l'effet de la dernière surcharge (bien que limitée), de l'effet des dissipations de pression dans le sol et des effets à long terme. Ces résultats expérimentaux constituent une première base de données ; les mesures se poursuivent et leur analyse doit être menée plus en détail. Les résultats expérimentaux sont exploités en parallèle par des méthodes de calcul analytiques et numériques afin d'aboutir à une meilleure prise en compte du renforcement géosynthétique dans les modèles de calcul pour le dimensionnement de l'ouvrage. Remerciements Les auteurs souhaitent remercier les pôles de compétitivité Techtera et Fibres, le groupement COSEA et la société Vinci Construction et Terrassement pour avoir permis l intégration des expérimentations sur un chantier d instrumentation, le renfort apporté par les équipes lors de la mise en place et des mesures.

10 Références bibliographiques Briançon L., and Simon B. (2012). Performance of Pile-Supported Embankment over Soft Soil: Fullscale experiment, Journal of Geotechnical and Geoenvironnemental Engineering, 138(4), pp British Standard Institute. (1995). BS8006:1995 Code of practice for strengthened/reinforce soils and other fills, 160p. CUR-publicatie 226. (2010). Ontwerprichtlijn Paalmatrassystemen: Stichting CUR, Gouda, ISBN , 140 p. EBGEO (Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.v.) (2008). Empfehlungen für den Entwurf und die Berechnung von Erdkörpern mit Bewehrungen aus Geokunstoffen, 280p. Hewlett, W.J., Randolph, M.A. (1988). Analysis of Piled Embankments, Groung Engineering, April 1988, pp John, N.W.M. (1987). Geotextiles, Blackie, Glasgow. Kempfert H.G., Stadel M., Zaeske D. (1997). Berechnung von geokunststofbewerten Tragschichten über Pfahlelementen, Bautechnik 74, Heft 12, pp Kempfert H.G., Zaeske D. and Alexiew D. (1999). Interactions in reinforced bearing layers over partial supported underground, Geotechnical Engineering for Transportation Infrastructure, Barend et al. (ed), Balkema, Rotterdam, pp Van Eekelen S., Bezuijen A., Lodder H.J., Tol A.F. van. (2012a). Model experiments on piled embankments. Part I, Geotextiles and Geomembranes Vol. 32, Juin 2012, pp Van Eekelen S., Bezuijen A., Lodder H.J., Tol A.F. van. (2012b). Model experiments on piled embankments. Part II, Geotextiles and Geomembranes Vol. 32, Juin 2012, pp Van Eekelen S., Bezuijen A., Tol A.F. van. (2013). An analytical model for arching in piled embankents, Geotextiles and Geomembranes Vol. 39, Août 2013, pp Zaeske D. (2001). Zur Wirkungsweise von unbewehrten und bewehrten mineralischen Tragschichten über pfahlartigen Gründungselementen. PhD thesis, Uni Kassel, Zchriftenreihe Geotechnik, Heft 10, Kassel.