Brochure F. Les procédés de vibration profonde des sols

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1 Brochure 1-2 F Les procédés de vibration profonde des sols

2 Depuis le premier vibreur Keller, breveté en 1934, Keller a sans cesse conçu de nouveaux outils, pour arriver aujourd hui à une gamme très vaste de procédés de fondations et améliorations de sol. Sommaire 3 Les procédés de vibration profonde 4 Le vibrocompactage 6 Les colonnes ballastées 8 Procédés de fondation du type pieux 1 Variantes des procédés de vibration profonde 11 Contrôles 12 Adresses

3 Les procédés de vibration profonde Ils se regroupent en trois familles, dont le point commun est l exécution des travaux avec un vibreur, dont Keller conçoit et construit une large gamme. En fonction des conditions particulières de chaque chantier, il existe toujours un vibreur Keller spécifiquement adapté à chaque usage : Le vibrocompactage (ou vibroflottation) qui permet de compacter dans la masse, même à des profondeurs de plus de 3 m, les sols grenus sans cohésion (sables, graviers, cailloux, certains remblais, etc.). Les colonnes ballastées, pour améliorer les sols très faibles à médiocres (sables limoneux, limons, limons argileux, argiles, remblais hétérogènes, etc.). Les pieux et leurs dérivés, qui peuvent être réalisés avec divers matériaux, à usage de fondations profondes, semi-profondes (puits) ou inclusions rigides. Le matériel courant (vibreurs guidés montés sur porteurs Keller) permet de réaliser des colonnes ballastées, pieux ou inclusions jusqu à 2 m de profondeur. Les avantages des procédés Keller Qualité, économie, sécurité, rapidité d exécution sont les caractéristiques communes des techniques Keller. Par ailleurs, les nuisances vis-à-vis de l environnement sont très limitées (bruits, vibrations) et permettent la mise en œuvre de ces procédés au voisinage immédiat d ouvrages existants. Le principe du vibreur radial Domaines d application des techniques d amélioration de sol Argile Limon Sable Domaine de Graviers Cailloux transition Colonnes ballastées 6 Pourcentage de passant 4 2 Vibrocompactage,2,6,2,6,2,6 2, 6, 2 6 Granulométrie [mm] 4 2 3

4 Le vibrocompactage dans les sables et autres sols grenus Equipements et mise en œuvre Tube de rallonge Joint antivibratoire Eau ou air de lançage Moteur électrique Excentrique Pointe On réalise le compactage en masse des sols grenus à l aide de vibreurs spécifiques à basses fréquences. Les outils sont suspendus à des grues, mais peuvent aussi, pour de faibles profondeurs, être montés sur porteurs. La pénétration de l outil, ainsi que dans certains cas le compactage, sont facilités par un fluide de lançage, généralement de l eau sous pression. Le compactage se fait par passes en remontant l outil, selon des critères déterminés par des essais préalables. La résistance du sol après traitement dépend de la granulométrie du terrain et de l adéquation du type de vibreur. Aspects géotechniques Les vibrations émises par l outil permettent un réarrangement optimal des grains de sable, ou autres matériaux en place, de manière à ce qu ils occupent le plus petit volume possible. Ce procédé agit donc par augmentation de la densité en place, ou réduction de la porosité. Il consiste non à créer des éléments porteurs, mais à augmenter la capacité portante du terrain, qui pourra alors être sollicité par des fondations superficielles. 1 Fonçage Compactage général en maillage régulier Etat de compacité du sol avant h après Mode opératoire L outil, dont la puissance et les caractéristiques sont variables en fonction du terrain, est foncé jusqu à la profondeur finale à atteindre. Sa descente s opère grâce à l effet conjugué de son poids, de la vibration et de l eau de lançage. Le débit d eau est alors diminué. Conception du traitement Compactage localisé sous semelles En fonction de la nature et de l importance des charges à reprendre, on peut procéder à un vibrocompactage général par un maillage régulier, ou à un traitement localisé sous des semelles ou massifs. Le maillage optimal en fonction des performances à atteindre est déterminé lors de plots d essais préalables. La capacité portante d un terrain compacté par cette technique peut atteindre 1MPa aux ELS. Les contrôles après traitement sont réalisés par des essais pressiométriques ou pénétrométriques. 4

5 Cette technique permet de compacter à l optimum et d homogénéiser les caractéristiques de tous les sols grenus, qu ils soient remblayés ou en place, secs ou sous la nappe phréatique. A B B Profondeur Compactage 3 Apport de matériaux 4 Finition Le vibrocompactage est alors réalisé par passes successives de bas en haut. Le volume compacté est un cylindre d un diamètre pouvant atteindre 5 m. L augmentation progressive de l intensité consommée par le vibreur permet de mesurer la croissance de la compacité du sol. Le cône d affaissement autour du vibreur Autour du vibreur apparaît un cône d affaissement, que l on comble au fur et à mesure soit par des matériaux d apport (A), soit en décapant progressivement les matériaux du site (B). En fonction de l état initial, on peut atteindre une quantité de 1% de matériaux ajoutés par rapport au volume traité. Après traitement, la plate-forme est réglée et recompactée à l aide d un rouleau vibrant. Applications spéciales Il est également possible de foncer des éléments tels que profilés, ancrages ou ducs d Albe dans les sols sableux au moyen de ce type de vibreurs. Un autre domaine d application du vibrocompactage est la réduction de perméabilité des sols grenus, dans le but de diminuer les débits d exhaure lors de rabattements de nappe. Dès 1939, des profondeurs de traitement de 35 m ont été atteintes. Entre-temps, Keller a réalisé du vibrocompactage à des profondeurs de plus de 5 m

6 Dans les sols cohésifs les colonnes ballastées Equipements et mise en œuvre Sas Tube de rallonge du vibreur et d amenée du matériau (trémie) Joint antivibratoire Moteur électrique Tube d amenée du matériau Excentrique Orifice de sortie En règle générale, les colonnes ballastées sont réalisées avec un vibreur à sas qui comporte, à son extrémité supérieure, un sas et une trémie pour les matériaux d apport. Un tube permet d amener ceux-ci jusqu à la pointe, à l aide d air comprimé. Pour cet équipement spécial, Keller a conçu des châssis porteurs qui peuvent activer le fonçage par poussée statique sur l outil. Les colonnes ballastées sont réalisées par passes successives. Après le fonçage, on remonte le vibreur et les matériaux s écoulent à sa pointe. Le vibreur est alors redescendu dans les agrégats, qui sont compactés et expansés latéralement dans le sol. Les colonnes ainsi réalisées concentrent l essentiel des charges à reprendre. Aspects géotechniques Contrairement au vibrocompactage, on ne considère pas au départ d amélioration de compacité entre colonnes, même si celle-ci existe dans certains cas. L amélioration repose sur la réalisation d inclusions souples de module élevé, sans cohésion, à fort pouvoir drainant, qui par concentration et report de charges augmentent la capacité portante du sol en diminuant et maîtrisant les tassements. Abaque de dimensionnement des colonnes ballastées Facteur d amélioration ϕ S = 45. ϕ S = 42.5 ϕ S = 4. ϕ S = 37.5 µ B = 1/3 ϕ S = 35. Mode opératoire 1 Préparation La machine est mise en station au-dessus du point de fonçage, et stabilisée sur ses vérins. Un chargeur à godet assure l approvisionnement en agrégats. 2 Remplissage Le contenu de la benne est vidé dans le sas. Après sa fermeture, l air comprimé permet de maintenir un flux continu de matériau jusqu à l orifice de sortie Rapport des sections A C /A S Conception du traitement Alors que le compactage du sol se mesure relativement facilement par des sondages, les effets des colonnes ballastées ne peuvent être contrôlés que par des essais de chargement in situ. Keller a développé pour cela des méthodes de dimensionnement fiables, qui prennent en compte la géométrie des colonnes ballastées et l angle de frottement du matériau d apport. Abaques de tassements pour semelles isolées Rapport de tassement t/t * 1,8,6,4, Profondeur relative p/d * t = Tassement d une charge infinie Nombre de colonnes 6

7 Les sols cohésifs ont souvent une portance insuffisante. Lorsqu ils comportent plus de 1 à 15% de limons et argiles, ils peuvent être améliorés par un réseau de colonnes ballastées. Ce procédé est également utilisable dans les remblais non évolutifs, tels que déblais de constructions, scories ou remblais hétérogènes. Profondeur Fonçage 4 Compactage 5 Finition Le vibreur descend, en refoulant latéralement le sol, jusqu à la profondeur prévue, grâce à l insufflation d air comprimé et à la poussée sur l outil. Lorsque la profondeur finale est atteinte, le vibreur est légèrement remonté et le matériau d apport se met en place dans l espace ainsi formé. Puis le vibreur est redescendu pour expanser le matériau latéralement dans le sol et le compacter. La colonne est exécutée ainsi, par passes successives, jusqu au niveau prévu. Les semelles de fondations sont alors réalisées de manière traditionnelle. Le procédé des colonnes ballastées a été développé à la fin des années cinquante. Des profondeurs jusqu à 2 m environ peuvent être atteintes avec un porteur sur chenilles équipé d un sas. -14 Avantages du vibreur à sas : Le matériau d apport arrive directement à l orifice de sortie, ce qui assure la continuité de la colonne Le compactage se fait en une seule passe. Il n y a pas de risque d éboulement du forage dans les sols instables Fond de fouille après réalisation des colonnes ballastées Les vibreurs guidés montés sur porteurs garantissent la parfaite verticalité des colonnes. 7

8 Procédés de fondation du type pieux Colonnes ballastées injectées et colonnes en béton prêt à l emploi Réalisation de colonnes ballastées injectées avec ajout d un coulis de ciment au matériau d apport Equipements et mise en oeuvre Ces éléments de fondation sont réalisés selon le même mode opératoire que les colonnes ballastées. Dans le cas des colonnes ballastées injectées, on ajoute au matériau d apport un liant sous forme d un coulis de ciment afin qu après prise, on obtienne une colonne rigide. Pour les colonnes en béton prêt à l emploi, le matériau d apport mis en œuvre est du béton spécial de qualité B15 à B2. Celui-ci est mis en œuvre de la même façon que le matériau d apport utilisé pour les colonnes ballastées. Les effets du compactage sur le sol environnant, par vibration et refoulement, ne sont pas diminués. Aspects géotechniques Le fonctionnement de ces éléments de fondation correspond, à quelques détails près, à celui de pieux. Conception du traitement Keller dispose d un cahier des charges pour les procédés des colonnes ballastées injectées et des colonnes en béton prêt à l emploi. Lors de la conception des fondations, on calcule pour ces éléments de fondation une force portante. Les charges habituelles sont de 4 à 6 kn. Les colonnes ballastées injectées et surtout les colonnes en béton prêt à l emploi peuvent très bien être Dégarnissage d une colonne ballastée injectée combinées avec des colonnes ballastées normales, en ne compactant pas la partie supérieure ou inférieure de la colonne, formant ainsi des zones tampon. De telles colonnes sont appelées colonnes semiinjectées. Fonçage Réalisation du pied Réalisation de la colonne ballastée injectée Porteur Poussée statique Coulis de ciment Vibreur avec tuyau d amenée de coulis additionnel Matériau d apport Couche compressible Couche d assise Sortie du matériau Pied de la colonne 8

9 Ces éléments sont mis en œuvre en tant qu amélioration de sol par inclusions rigides, ou encore en présence de matières organiques évolutives ou, en tant que pieux, pour reprendre des charges plus importantes. Pieux vibroforés vibrobétonnés (Eliterre) Equipements et mise en œuvre Les pieux vibrobétonnés sont réalisés sur toute leur longueur en béton prêt à l emploi, pompé à travers le vibreur par une pompe à béton. La capacité de charge du pied de la colonne est augmentée en expansant celui-ci par plusieurs allers et retours successifs du vibreur dans le béton. Grâce à la contrainte admissible élevée du béton, le fût est alors bétonné en continu, en remontant. Aspects géotechniques Avec les colonnes vibroforées vibrobétonnées, on ne vise pas un compactage du sol environnant. Mais tout comme pour les autres éléments de fondation du type pieux, on peut atteindre un degré d amélioration important au niveau du pied de la colonne, donc une force portante particulièrement importante pour de très faibles tassements. Réalisation de pieux vibroforés vibrobétonnés Dégarnissage d un pieu vibroforé vibrobétonné Section d un pieu vibroforé vibrobétonné Conception du traitement Le procédé des pieux vibroforés vibrobétonnés bénéficie en France d un cahier des charges particulier et d une garantie décennale. Le diamètre du fût des pieux vibroforés vibrobétonnés est de 4 à 6 cm. La force portante est calculée selon le cahier des charges. Ces pieux peuvent être armés par vibrofonçage d une cage d armatures dans le béton frais. Mise en station Fonçage et réalisation du pied Bétonnage du fût Poussée statique Porteur Pompe à béton Vibreur avec conduit de béton Béton prêt à l emploi Couche compressible Couche d assise Sortie du béton Pied de la colonne 9

10 Variantes des procédés de vibration profonde Vibreurs en batterie et vibrocompaction en milieu aquatique La réalisation de travaux de grande envergure, en particulier sous l eau, est facilitée par l utilisation de vibreurs jumelés. sable remblayé après dragage argile, limon grès Pour la réalisation de colonnes ballastées destinées, par exemple, à la fondation de murs de quais ou de piles de ponts, un matelas de matériaux d apport est disposé sur le fond avant le fonçage des vibreurs. Gravier/ballast Sable Sédiments Colonnes ballastées réalisées avec un vibreur sans sas Dans certains cas particuliers, les colonnes ballastées peuvent être réalisées par des vibreurs pendulaires sous une grue, par voie sèche ou avec eau de lançage. Le lançage contribue à un fonçage plus rapide, à la stabilité du trou et, parfois, à l obtention de diamètres plus élevés.

11 Des moyens de contrôle efficaces et fiables Des enregistreurs de paramètres électroniques peuvent être utilisés pour tous les procédés de vibration profonde, pour contrôler l obtention des critères d exécution et établir les documents de récolement. Clavier et unité centrale de l appareil de mesure M4 L appareil de mesure Les données importantes de chaque étape de compactage peuvent être mesurées, enregistrées et imprimées sous forme de fiches individuelles et récapitulatives. L appareillage de mesure se compose d un appareil de commande dans la cabine du porteur, d une unité centrale avec enregistrement des données, et d un ordinateur avec imprimante. Programme : Vibration profonde (3..) Machine n : Chantier n : Lot n : Point n : 241 N : 15 Date : Heure : 5:1:47 Intervalle 4s : Densité : 1.5 Légende : Temps [s] 1 Profondeur [m] Avancement [m/mn] Poussée [bars] 2 4 Intensité [A] Les essais de chargement sont un bon moyen de contrôle de l amélioration du sol Evènement Heure Prof. Energie Volume Poids Cumul Déviation Déviation Coulis net D/G AV/AR Numéro Désignation h:mn:s [m] [kvah] [m 3 ] [T] [T] [degrés] [degrés] 1 9 Début 5:1: Fin 5:45: Durée totale : mn Prof. max. : 1. m Poids réel :.58 T/m Les paramètres mesurés Différentes données concernant le chantier sont enregistrées automatiquement lors de la réalisation des fondations. Les données telles que l heure, la profondeur, l avancement, la poussée verticale sur l outil et l intensité de courant du vibreur, peuvent de plus être présentées sous la forme d un graphique. Il est également possible d enregistrer la consommation en énergie. 11

12 Keller Fondations Spéciales SAS Siège Social 2 rue Denis Papin 6712 Duttlenheim Tél Fax direction@keller-france.com Internet : Agence Strasbourg 2 rue Denis Papin 6712 Duttlenheim Tél Fax strasbourg@keller-france.com Agence Metz Voie Romaine 5728 Semécourt Tél Fax metz@keller-france.com Agence Rennes Le Pré Vert - BP Mordelles Tél Fax rennes@keller-france.com Agence Lille 6 ème Rue - Port Fluvial Santes Tél Fax lille@keller-france.com Agence Paris 12 rue Le Corbusier BP Rungis Cedex Tél Fax paris@keller-france.com Agence Marseille Le Magellan 47 rue Augustin Fresnel - CS Aix-en-Provence Cedex 3 Tél Fax aix@keller-france.com Agence Bordeaux Immeuble Centreda - 18 rue Thalès 337 Mérignac Tél Fax bordeaux@keller-france.com Agence Lyon Parc d Activités du Chêne - Activillage 9 allée des Tulipiers 695 Bron Tél Fax lyon@keller-france.com Agence Antilles Immeuble BIGA N 4 - RDC Moudong Centre Baie Mahault - Guadeloupe Tél Fax antilles@keller-france.com Algérie Keller Fondations Spéciales SPA Lieu-dit Haouch Sbâat n 7 - Îlot 74 Zone Industrielle - BP Rouiba - w. Alger Tél Fax agence@keller-algerie.com Maroc 7 Résidence Rami Rue Sebta - Bureau 8 21 Casablanca export@keller-france.com Tunisie 6 rue de l Irak 7 Bizerte export@keller-france.com Suisse Keller-MTS SA Avenue de la Gare 58 Case postale Martigny Tél Fax info@keller-mts.ch Internet : Keller Group est présent dans le monde entier Une société de Keller Group plc