RENFORCEMENT D UN CADRE BETON ARME PAR INCLUSIONS RIGIDES

RENFORCEMENT D UN CADRE BETON ARME PAR INCLUSIONS RIGIDES REINFORCEMENT OF A CONCRETE FRAME BY RIGID INCLUSIONS Laurent BRIANÇON (1), Vincent KELLER (2), Michel BUSTAMANTE (3), OLIVIER GAY (4), Elisabeth HAZA-ROZIER (5), Bruno SIMON (6), Benedito ALVES DOS SANTOS (6) 1 Cnam, Paris, France 2 Durmeyer 3 MB fondations 4 EGIS Structure et environnement 5 Cer Rouen, 6 Terrasol,Montreuil, France RESUME Un ouvrage en béton armé situé dans un remblai autoroutier a été renforcé par inclusions rigides refoulantes et instrumenté dans le cadre du projet national A.S.I.RI. Les mesures de tassement et de transfert de charge valident le choix du renforcement. Des essais de chargement statique et une modélisation numérique complètent cette étude. ABSTRACT A concrete frame inside a highway embankment has been reinforced by rigid inclusions and monitored in the field of the national project A.S.I.RI. Measurement of differential settlement and load transfer validates the choice of the reinforcement. Two static vertical load tests and numerical simulation complete this study. 1. Introduction Le projet de recherche ASIRI (Amélioration des Sols par Inclusions Rigides), opération du Réseau génie civil et urbain, a débuté en 2005 et doit se terminer en 2010. Son objectif est de promouvoir l utilisation des inclusions rigides, placées verticalement pour renforcer un sol de fondation médiocre, en établissant les bases expérimentales et théoriques du comportement de cette technique et en développant des méthodes de dimensionnement fiables et appropriées. Dans le cadre de ce projet national, le renforcement par inclusions rigides d un ouvrage en béton armé (ouvrage PI777) conçu pour rétablir le cours d eau dénommé «le Rouillat» a été instrumenté. Il s agit de l un des ouvrages du contournement Sud de Reims (51) par l autoroute A4 Bis. L instrumentation consiste en la mesure des contraintes dues au transfert de charge vers les têtes d inclusions et du tassement différentiel entre sol et inclusions rigides. Des essais de chargement statique ont par ailleurs été réalisés pour déterminer la capacité portante des inclusions rigides. Les mesures ont été réalisées pendant toute la durée de la construction de l ouvrage. Les mesures indiquent qu un tassement différentiel se produit pendant la construction de la plateforme de transfert de charge puis se stabilise. Les mesures indiquent aussi un bon report de charge vers les inclusions et valident le choix du renforcement. Une modélisation avec le logiciel Taspie+, calée sur le comportement des pieux des essais de chargement statique s est avérée efficace pour le calcul de la répartition de contrainte et du tassement différentiel. 571

2. L ouvrage et le renforcement du sol L ouvrage représente un linéaire de 105 mètres (Figure 1). Les inclusions rigides ont été réalisées par la société Durmeyer. Le Cnam, assisté par la société EGIS SE, a assuré l instrumentation du renforcement de l ouvrage. Cadre béton Remblai PTC IR 2500 2500 2500 2000 2000 2500 2500 2500 Figure 1. Cadre béton renforcé Le sol compressible a été caractérisé par des sondages pressiomètriques, pénétrométriques dynamiques et des sondages carottés. Le site a été caractérisé par la présence d un substratum crayeux, avec du haut vers le bas les formations suivantes : - remblais de limons crayeux et graveluche (appellation régionale) limoneuse et crayeuse jusqu à une profondeur de 1,8 à 2,2 m sous le niveau du TN ; - graves crayo-limoneuses sur 2,5 m environ ; - craie beige à blanchâtre constituant le substratum jusqu'à 20 m /TN. Les inclusions rigides de 360 mm de diamètre sont longues de 9 m sous le radier et de 10 m sous le remblai. Il s agit d inclusions refoulantes mises en œuvre selon un maillage de 2,26 m x 2,00 m dans la zone instrumentée. Le taux de recouvrement est égal à 2,2 %. Ce type de pieu foré à refoulement latéral, est réalisé à l aide d un outil spécial, conçu par l entreprise Durmeyer. L outil (Figure 2) consiste en un fût tronconique augmentant par pas discontinus et dont les pales, de diamètre identique, sont disposées autour du corps central avec variation optimisée du pas. L outil est terminé par un plateau de coupe à 2 dents. La fermeture/ouverture de la pointe est assurée par un bouchon perdu 150 mm, obturant, jusqu à l arrivée du béton, la colonne de bétonnage. Une plateforme de transfert de charge d une épaisseur de 0,5 m au droit de l ouvrage et au droit des remblais a été réalisée en deux phases : - 0,35 m mis en œuvre avant réalisation des inclusions, pour servir de plateforme de travail, - 0,15 m mis en œuvre près réalisation des inclusions et avec reprise de la couche précédente. L arase supérieure des inclusions rigides a été arrêtée en sous face de la plateforme de transfert de charge. Cette plate-forme est constituée par un matériau limoneux traité aux liants hydrauliques, mis en œuvre et compacté comme une couche de forme conformément au GTR pour satisfaire aux critères de réception de 572

la plate-forme. Le cadre en béton armé a ensuite été construit puis un remblai autoroutier a été mis en place autour et sur le cadre béton. Outil de refoulement Platine perdue Figure 2. Dispositif de réalisation des inclusions rigides 3. L instrumentation L instrumentation de cet ouvrage consiste à mesurer, sous le radier, la répartition de la charge à la base de la plate-forme de transfert de charge ainsi que les tassements différentiels entre le sol et les inclusions rigides. Huit capteurs de pression totale (CPT) ont été installés sous la plateforme de transfert de charge (Figure 3). Les CPT 1 à 4 sont posés sur les inclusions rigides, leur gamme est de 5 MPa. Les CPT 5 à 8 sont disposés horizontalement sur le sol et mesurent les augmentations de contrainte verticale, leur gamme est de l ordre de 0,5 MPa (les CPT 6 à 8 sont de forme rectangulaire). CPT4 CPT1 IR 144 IR 143 IR 142 IR 141 T7 T7 Emprise de l ouvrage CPT5 CPT8 CPT7 CPT6 CPT3 0,36 m 0,78 m CPT2 IR 219 1,28 m IR 220 2,26m 2,00 m IR 221 2,26m 0,5 0,5 0,5 T5 T6 IR 222 T2 T3 IR 222 T4 IR 236 IR 235 IR 234 IR 233 Figure 3. Instrumentation 573

Le tassement des têtes d inclusions et du sol sous la plate-forme de transfert de charge a été mesuré à l aide de 6 transmetteurs de pression pour mesure de niveau, appelés transmetteurs (T) par la suite (Figure 3). Chaque transmetteur est posé horizontalement sur un lit de sable. Les transmetteurs sont connectés en série, deux à deux, à un récipient rempli d antigel fixé dans un tube métallique prolongeant une inclusion rigide en dehors de l emprise de l ouvrage d une part et à la centrale d acquisition d autre part. Le transmetteur mesure la variation de pression entre sa position et le niveau du récipient. Un transmetteur de référence fixé dans le tube, sous le réservoir permet de calculer le tassement des 6 autres transmetteurs positionnés sous l ouvrage. 4. L essai de chargement Un essai de chargement statique (Figure 4) a été réalisé sur deux inclusions rigides de 9,0 m (noté G) et 10,6 m (noté H) de long. L inclusion rigide G a reçu une armature constituée d un profilé H type 100, auquel était fixé un tube-logement destiné à recevoir 1 train d extensomètres amovibles afin d instrumenter le fût sur toute sa hauteur. L armature du pieu d essai H était uniquement constituée par un tube-logement mis en place par fonçage. + 91,23 NGF + 91,39 NGF + 90,92 NGF + 90,99 NGF Remblai argilo sableux Alluvions crayeuses craie + 81,92 NGF HEA 100 Bloqueurs de l extensomètre amovible + 80,39 NGF Figure 4. Essais de chargement Le dispositif de réaction est constitué par un chevêtre métallique relié à l aide de barres Ø60 mm à 4 inclusions rigides, de 11,5 m de longueur dans le terrain et diamètre 360 mm. Il a été conçu pour reprendre une charge maximale d essai de 3 MN. Les premières observations effectuées sur site lors de la confection des inclusions rigides G et H (très faible volume de déblais remonté, frottement et résistance en pointe), ont montré que le procédé utilisé par l entreprise Durmeyer s apparentait à la technique des pieux vissés moulés. L interprétation des résultats de chargement pour ce qui peut être considéré comme l un des très rares essais de chargement en vraie grandeur sur pieu refoulant instrumenté reposant en pointe dans une craie blanchâtre hors nappe, a montré (Tableau I) : 574

- que les pieux essayés indiquaient une portance globale élevée pour des longueurs relativement modestes, 9 m et 10,6 m, et un encastrement compris entre 4 et 5,60 m dans des craies de pl* = 1,0 MPa sous la pointe; - que les valeurs de résistance de pointe kp mesurées étaient de 2,9 en moyenne, - que les frottements latéraux qs mesurés étaient supérieurs de 60 % aux valeurs proposées par Bustamante et Gianeselli (1994) dans le cas des pieux vissés moulés dans la craie hors nappe. 0 Charge (kn) 0 500 1000 1500 2000 2500 10 Déplacement (mm) 20 30 40 50 60 70 80 IR G -Tête IR G - Pointe IR H - Tête IR H - Pointe Figure 5. Résultat des essais de chargement Tableau I. Paramètres de portance mesurés Pieu Fiche (m) Délai de repos (j) Q U (MN)* Q SU (MN) Q PU (MN) qs craie (kpa) kp craie x G 9,0 25 1,81 1,56 0,25 130 à 200 2,45 (3,02)** H 10,6 26 1,61 1,37 0,23 100 à 205 2,31 (2,85)** * ces charges satisfont au critère du 1/10 ème du diamètre pour l enfoncement de la tête ** entre parenthèse valeur correspondant à 0,9 Df 5. Mesures et analyse La figure 6 présente l évolution du transfert de charge mesuré sur les têtes d inclusion jusqu en avril 2009, puis mesurées ponctuellement le 30 juin et le 08 octobre 2009. Les CPT 1, 3 et 4 donnent des valeurs similaires, on observe que les augmentations de contrainte sur les têtes d inclusions correspondent aux augmentations de charge au droit du plot instrumenté. A la fin de la construction du remblai (30 juin 2009), l augmentation de la contrainte se poursuit. Le CPT 2 donne des valeurs très supérieures à celles mesurées par les trois autres capteurs. L analyse du transfert de charge permet d invalider les mesures du CPT2. On constate par ailleurs que la contrainte mesurée sur le sol n est pas négligeable : 100 à 120 kpa en fin de construction. Les augmentations de contraintes mesurées sur le sol et sur les inclusions correspondent à des augmentations de surcharge lors de travaux. L augmentation de contrainte sur le sol a tendance à se stabiliser à la suite de la fin de la construction des remblais. Au final 575

les CPT 5, 7 & 8 donnent des valeurs semblables ce qui met en évidence que la contrainte se répartit de manière relativement homogène sur la surface du sol entre les inclusions. 123 4 5 6789 10 CPT2 Contrainte (kpa). 1400 1200 1000 800 600 400 200 1 : Fin mise en œuvre de la plate-forme 2-3 : Béton de propreté sous radier et sous mur en ailes 4 : Bétonnage radier plot 1 5 : Coulage des piédroits plot 1 6 : Coulage traverse supérieure plot 1 7 : 80cm de remblai sur la traverse 8 : Mise en œuvre des enrochements 9 : Reconstitution du lit du Rouillat et enrochements aval 10 : Fin de construction CPT4 CPT1 CPT3 0 19/10 8/12 27/1 18/3 7/5 Dates 26/6 15/8 4/10 Figure 6. Mesures de la contrainte sur les inclusions rigides La figure 7 présente les tassements différentiels entre le sol et l inclusion n 222. Le tassement différentiel se fait en grande partie lors de la mise en œuvre de la plate-forme. Les courbes montrent qu il y a un peu d accrochage entre le sol et l inclusion (T3 - T2 > 0), que le profil est plat jusqu à 1m du centre de l inclusion (T4 - T2 = T5 - T2) et on observe un tassement légèrement plus prononcé au centre de la maille (T6 - T2 > T5 - T2). Tassement différentiel (cm). 2.0 1.5 1.0 0.5 12 34 (même légende que figure 6) 5 6 78 9 T6-T2 T5-T2 T4-T2 T3-T2 0.0 24/10 23/11 23/12 22/1 21/2 23/3 22/4 Dates Figure 7. Mesures du tassement différentiel 576

On retrouve une légère augmentation des mesures fin mars - avril correspondant au chargement (mise en œuvre des enrochements ). Ce tassement s est peut-être poursuivi pendant les travaux car nous avons mesuré une augmentation de contrainte sur le sol jusqu en octobre 2009 ; malheureusement nous n avons plus pu enregistrer ces valeurs de tassement à partir du mois de mai 2009. La contrainte appliquée en fin de construction de remblai est estimée entre 160 et 180 kpa. A partir des mesures de contraintes sur les inclusions et sur le sol, on calcule la contrainte moyenne appliquée égale à 134 kpa. Cette valeur est inférieure à la charge estimée qui a pu être définie avec des coefficients de sécurité et on a observé par ailleurs sur la figure 6 que la contrainte mesurée augmentait encore en octobre 2009. On peut aussi estimer l efficacité E qui est la proportion de la charge totale reprise par les inclusions et mesurée sur les têtes d inclusions (Tableau II). Cette efficacité relativement basse ne traduit pas que le renforcement n est pas adapté puisque le tassement différentiel mesuré est très acceptable. Ce résultat démontre que le paramètre d efficacité estimé sur les têtes d inclusions n est pas représentatif de l efficacité en tassement du renforcement. 6. Modélisation Le calcul de la répartition des contraintes et du tassement a été modélisé à l aide du logiciel Taspie+ (Cuira et Simon, 2009). Les facteurs de portance ont été déterminés à partir des essais de chargement statique ; des valeurs moyennes ont été adoptées : k p = 2,4 et k c = 0,3. Les valeurs de résistance de pointe sont alors déterminées par les deux méthodes : q pl = k p.pl* = 2,4 MPa et q pl = k c.q c = 2,4 MPa. Les valeurs de frottement latéral ont été déterminées à partir des essais de chargement statique. Les essais de chargement statique ont été modélisés (Figure 8) pour vérifier la pertinence du choix des paramètres de frottement limite et de résistance de pointe. Pour la définition de la loi de mobilisation de la résistance en pointe en considérant que la craie est une roche tendre et que la craie altérée a un comportement plus proche d un sol fin, on a choisi une loi de pointe pour sol fin. Cependant on utilise une loi de mobilisation du frottement pour sol granulaire qui permet de mieux approcher les courbes de chargement en tête. La détermination des valeurs q s dans chaque couche est basée sur les profils issus des essais des pieux G et H. y (mm) 0 10 20 30 40 50 60 70 Q (kn) 0 400 800 1200 1600 2000 Tete-essai Pointe-essai Tete-Calcul Pointe-Calcul Pieu G y (mm) 0 10 20 30 40 50 60 70 Q (kn) 0 400 800 1200 1600 2000 Tête-essai Pointe-essai Tete-Calcul Pointe-Calcul Pieu H Figure 8. Calage du modèle sur les essais de chargement statiques 577

On modélise ensuite des inclusions rigides sous le radier. On adopte pour la plateforme de transfert de charge les paramètres E = 40 MPa et E M = 25 MPa, la valeur de q s, nécessaire au modèle de calcul Taspie+ sur la hauteur du matelas est ajustée en fonction du niveau de contrainte en adoptant la valeur k.tanδ = 1. On considère le poids spécifique des sols égal à 20 kn/m 3. On calcule la répartition des contraintes et le tassement (Tableau II) pour une charge appliquée de 130 kpa égale à la valeur déduite des mesures. Tableau II. Comparaison des calculs et des mesures Tassement différentiel moyen (cm) σ IR (kpa) σ sol (kpa) E (%) Mesures 1 786 115 13,6 Calcul 0,7 952 111 16,5 La modélisation adoptée est en accord avec les mesures en termes de répartition de contrainte et de tassement différentiel. Cependant le calcul ne rend pas compte de la chronologie du développement du tassement différentiel. 7. Conclusions Un ouvrage sur radier sur sol renforcé par inclusions rigides a fait l objet d une instrumentation et d une étude de dimensionnement dans le cadre du projet national ASIRI. Deux essais de chargement statique ont permis de déterminer les paramètres de frottement et de portance et que le procédé utilisé s apparentait à la technique des pieux vissés moulés. L instrumentation a donné des résultats intéressants pour l analyse de la répartition des contraintes dans la plateforme de transfert de charge. Une modélisation calée sur les essais de chargement statique s est avérée efficace pour le calcul de la répartition des contraintes et du tassement différentiel entre sol et inclusions rigides. Le calage de la modélisation sur les essais de chargement statique apparait être une démarche intéressante pour ensuite étudier l ouvrage renforcé. 8. Remerciements Cette étude réalisée au titre du projet national de R&D ASIRI (Amélioration des Sols par Inclusions Rigides) et géré par l'irex a bénéficié d'une aide financière du Ministère de l'ecologie, de l'energie, du Développement Durable et de la Mer (MEEDDM) dans le cadre du Réseau Génie Civil et Urbain. 9. Références bibliographiques Bustamante M. et Gianeselli L. (1994). Contribution au dimensionnement des pieux vissés. Bulletin de liaison des laboratoires des ponts et chaussées, n 191, 41-54. Cuira F. et Simon B. (2009). Deux outils simples pour traiter des interactions complexes d un massif renforcé par inclusions rigides. Proc 17 Conférence Internationale de Mécanique des Sols et de Géotechnique 05-09 septembre 2009, Alexandrie, Egypte. 578