Chapitre 11. Amélioration des sols sans inclusions

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1 Chapitre 11. Amélioration des sols sans inclusions 1. DOMAINES DE L AMÉLIORATION DES SOLS 2 2.AMÉLIORATION PAR COMPACTAGE Le compactage statique horizontal par injection solide Le compactage dynamique La vibroflottation 5 3. AMÉLIORATION PAR CONSOLIDATION Reconnaissance des sols Etudes de stabilité Etudes de tassement Méthodes de construction Instrumentation 11 B7 / chapitre 11 (version du 07/05/03) Cnam Paris Géotechnique C. Plumelle 1

2 1. Domaines de l amélioration des sols Les traitements de sol qui consistent à améliorer le sol sans apports d inclusions ont pour objectif de diminuer l indice des vides pour augmenter les caractéristiques mécaniques et diminuer les déplacements sous les surcharges apportées par les ouvrages. On étudiera le compactage qui s applique plutôt aux sols grenus et la consolidation aux sols fins. 2.Amélioration par compactage Les principales techniques sont le compactage statique, le compactage dynamique et la vibroflottation. 2.1 Le compactage statique horizontal par injection solide Le compactage statique horizontal par injection solide consiste à introduire à l aide d une pompe à haute pression un mortier très visqueux afin d améliorer en profondeur un sol lâche.(fig.1) Fig.1 Principe du compactage statique horizontal par injection solide L amélioration est la somme de 2 termes, la densification entre les points de traitement, variable selon la nature du sol et l effet de renforcement, qui souvent n est pas pris en compte, par inclusions d un matériau de meilleures caractéristiques mécaniques que le sol en place Principe d exécution A partir de tubes forés dans le terrain (environ 0,10m de diamètre) on introduit un mortier sec sous une pression élevée tout en relevant le tube. On obtient généralement un chapelet de «boules» de mortier d un diamètre moyen compris entre 0,60 et 1m (Fig.2). Fig.2 Photo d une boule de mortier injectée dans un massif de sable fin lâche (chantier CEBTP/photo C.P) B7 / chapitre 11 (version du 07/05/03) Cnam Paris Géotechnique C. Plumelle 2

3 2.1.2Sols compactables Il est nécessaire que les sols soient assez lâches, on peut donner les limites suivantes, par rapport à l essai pressiométrique et l essai au pénétromètre statique, pour que le procédé soit efficace : Essai Nature du sol Pression limite pressiométrique P l MPa Module pressiométrique E M MPa Sable <1,2 <12 <12 Limon <0,6 <6 <4 Sol argileux <0,3 <3 < Domaines d application Les principaux domaines visés sont. Les reprises en sous-œuvre : semelles, pieux. Les réductions des tassements. Les réductions du potentiel de liquéfaction. Résistance de pointe mesurée au pénétromètre statique MPa La figure 3 montre le traitement de consolidation sous les fondations existantes du théâtre de Nice qui consistait à augmenter les caractéristiques mécaniques de limons médiocres, d épaisseur variable pour limiter les tassements absolus et différentiels. Fig.3 Chantier du théâtre de Nice (doc. Bachy) B7 / chapitre 11 (version du 07/05/03) Cnam Paris Géotechnique C. Plumelle 3

4 2.2 Le compactage dynamique Le compactage dynamique permet de densifier le sol sous les impacts d un masse de 15 à 150 tonnes tombant de 20 à 40m (Fig.4). La profondeur traitée dépend de la puissance du matériel, pour du matériel traditionnel elle de l ordre de 6m. Il est réalisé en plusieurs phases successives jusqu à l obtention de la densité et de l amélioration des caractéristiques mécaniques des sols fixées. Fig.4 Pilonneuse de 1600tm (doc. Ménard Sol Traitement Aéroport de Kansaï, Japon) Ce procédé est utilisé, de préférence dans les sols sablo-graveleux, pour fonder des bâtiments (Fig.5) ou des ouvrages ou pour stabiliser des remblais ou des sols lâches. Fig.5 Exemple de chantier de compactage dynamique (doc. Ménard Sol traitement) B7 / chapitre 11 (version du 07/05/03) Cnam Paris Géotechnique C. Plumelle 4

5 La substitution dynamique est une variante du compactage dynamique qui consiste à exécuter des plots ballastés qui vont pénétrer dans le sol par pilonnage, à l aide d une masse de 15 à 30 tonnes, en chute libre de 10 à 30 mètres. Elle peut s utiliser dans des sols sablo-graveleux et dans des sols argilo-limoneux. C est une technique qui, à la fois, améliore le sol et le renforce sur une profondeur de 2 à 3m. Un exemple de substitution dynamique est donné par l amélioration de terrains très médiocres qui après traitement ont servi de fondations à la voie ferrée de transport du lanceur de la fusée Ariane5 à Kourou (Fig.6) Fig.6 Voie ferrée du lanceur d Ariane5 (doc. Ménard Sol traitement) 2.3 La vibroflottation Cette technique s applique aux sols grenus (Fig.7) dans un état lâche à assez peu compact, audessus et au-dessous de la nappe. La vibroflottation consiste à générer, à l aide d un vibreur (Fig.8), des vibrations horizontales dans les sols grenus afin de les cisailler et de provoquer une liquéfaction et un tassement immédiat. Fig.7 Fuseau granulométrique d utilisation de la vibroflottation B7 / chapitre 11 (version du 07/05/03) Cnam Paris Géotechnique C. Plumelle 5

6 Fig.8 Chantier de vibroflottation (doc.solétanche-bachy) Le principe d exécution comporte les étapes suivantes (Fig.9) : Le vibreur, avec l aide de l eau de lançage est foncé jusqu à la profondeur voulue ; La zone de compactage est un cylindre de sol, d un diamètre pouvant atteindre plusieurs mètres( 2 à 4) ; Le cône provoqué par la vibration par la vibration est rempli par un matériau d apport de sable ou de gravier ; La finition consiste à régler la plate forme Fig.9 Principe d exécution de la vibroflottation (doc. Keller) B7 / chapitre 11 (version du 07/05/03) Cnam Paris Géotechnique C. Plumelle 6

7 3. Amélioration par consolidation La consolidation concerne les sols fins. Sous une surcharge, l indice des vides va diminuer, entraînant un tassement et un déplacement des sols limoneux et surtout argileux. C est un domaine d application important pour les tracés linéaires, les pistes d'aérodromes, les zones industrielles, les réservoirs (fuel, GPL ) Les problèmes liés à la construction des ouvrages sont la stabilité à la construction et l estimation des tassements et leur durée, mais aussi ceux liés à l interaction avec l environnement géotechnique. Ce sont principalement : les jonctions entre le remblai et les ouvrages d'art (routes, voies ferrées), les nouveaux remblais par rapport aux anciens ; les interactions avec les pieux existants : frottement négatif et déplacements latéraux l effet barrage vis à vis des écoulements hydrauliques : 3.1 Reconnaissance des sols On rappelle seulement les points principaux qui ont été développés dans différents chapitres des cours B6 et B Reconnaissance générale (Fig.10). Etude et épaisseur de la zone jusqu au bed-rock ou au moins une profondeur pour laquelle les tassements deviennent négligeables. Sondages suivant l axe longitudinal et l axe transversal. Adaptation du matériel au sol (vase, argile molle) CPS. Fluctuation de la nappe Fig.10 Profil en long géotechnique de la vallée de l Aubance (A87.doc. Scetauroute) B7 / chapitre 11 (version du 07/05/03) Cnam Paris Géotechnique C. Plumelle 7

8 3.1.2 Essais d'identification γ, w, w l, w p, VBS et MO I c = (w l - w)/( w l - w p ) Souvent w w l et I c Caractéristiques de cisaillement C u : triaxial UU (ϕ u = 0) Scissomètre de chantier Profil en fonction de la profondeur λ Cu : triaxial CU, dans le domaine normalement consolidé Caractéristiques du tassement σ' p : oedomètre : NC ou SC e 0 : // // C c : et C s // // C v sous différentes contraintes C α : sous consolidation de longue durée (1 semaine) C r : oedomètre radial pour les drains Hydrogéologie Pose de piézomètres Essai de pompage : K h 3.2. Etudes de stabilité Poinçonnement Par rapport au bed-rock avec C u ou C u après consolidation Circulaire ou complexe Par rapport à C u ou C u après consolidation! C u diminue quand I p augmente 3.3. Etudes de tassement Tassement instantané (Bidimensionnel) Quand les conditions oedométriques ne sont pas remplies Tassement primaire de consolidation Terzaghi, à corriger quand on n'est plus dans les conditions oedométriques Tassement secondaire Fluage, pour la tourbe en particulier 3.4. Méthodes de construction Objectifs : Stabilité remblai et sol de fondation pendant la construction 2) Bonne estimation du tassement final H i = H projet + tassement 3) Respect des délaisde livraison de la plate-forme : prédiction d un pourcentage déterminée du tassement final Remblai drainant ou géotextile à la base Remblai drainant débordant et d épaisseur suffisante pour tenir compte du tassement final. Dans le cas de drains verticaux plate-forme d accès pour le matériel de pose de drains Construction par étapes Durant la construction on retiendra un coefficient de sécurité global de 1.3. La hauteur initiale H i du remblai tient compte du tassement final S. H i = H p + S B7 / chapitre 11 (version du 07/05/03) Cnam Paris Géotechnique C. Plumelle 8

9 S il est impossible de construire le remblai en une étape (F < 1.3) on procède en plusieurs étapes séparées par la durée nécessaire pour acquérir une amélioration suffisante de la cohésion C u Le remblai n apportant pas une charge uniforme on pourra en première approximation prendre C u = 1/2 δ H 1 U% λ C u Si la durée totale des différentes étapes excède le délai fixé pour la réception de la plate-forme on pourra 1) placer une surcharge supplémentaire temporaire mais qui augmente encore la contrainte sur le sol de fondation 2) consolider sous vide (Fig.11), la consolidation sous vide remplace une surcharge de remblai par la création d une dépression sous une membrane étanche Fig.11 Consolidation sous vide (doc.méthode Menard Vacuum ) B7 / chapitre 11 (version du 07/05/03) Cnam Paris Géotechnique C. Plumelle 9

10 3) mettre en place un réseau de drains verticaux (Fig.12). On assurera dans tous les cas un drainage correct à la base du remblai. Fig.12 Chantier d exécution de drains (doc. GTS) Comme pourcentage de consolidation on prendra généralement U % = 90 %. La courbe T υ = f (U) indique qu au delà de 90% les tassements s opèrent extrêmement lentement. Les drains verticaux traverseront l ensemble de la couche d argile molle (Fig.13), généralement ils seront en géosynthétique. La maille sera déterminée par l abaque de BRU, par exemple. Ils sont efficaces pour évacuer l eau en surpression (consolidation primaire), par contre ils sont inefficaces ou très peu pour la consolidation secondaire (fluage) et donc pour le fluage des tourbes. Fig.13 Schéma du maillage des drains B7 / chapitre 11 (version du 07/05/03) Cnam Paris Géotechnique C. Plumelle 10

11 L augmentation de la stabilité et les renforcements seront traités par ailleurs - banquettes latérales - renforcement du remblai par nappes de géotextile - substitution de tout ou partie de la couche d argile molle - remblai allégé : Polystyrène, Alvéoles - colonnes ballastées - renforcement par inclusion rigides : pieux + dalles Instrumentation. Tassomètres de profondeur. Inclinomètres. Cellules de pression interstitielles. B7 / chapitre 11 (version du 07/05/03) Cnam Paris Géotechnique C. Plumelle 11