ENS Cachan Année 2010-2011 Cours Traitement des sols

ENS Cachan Année 2010-2011 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 75732 Paris cedex 15 Tél : 01 40 43 52 73 Fax : 01 40 43 65 11 Email : philippe.reiffsteck@lcpc.fr

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

Plan 1. INTRODUCTION... 5 1.1. OBJECTIF... 5 1.1.1. SANS APPORT DE MATÉRIAUX :... 5 1.1.2. AVEC APPORT DE MATÉRIAUX :... 5 2. MÉTHODES DE TRAITEMENT DES SOLS FINS.... 6 2.1. AMÉLIORATION DES SOLS FINS PAR PRÉCHARGEMENT... 6 2.1.1. PRÉCHARGEMENT SEUL OU AVEC DISPOSITIONS PARTICULIÈRES.... 6 2.1.2. PRÉCHARGEMENT PAR LE VIDE (CONSOLIDATION ATMOSPHÉRIQUE)... 8 2.1.3. PRÉCHARGEMENT ASSOCIÉ À UN RÉSEAU DRAINANT... 13 2.1.4. PRÉCHARGEMENT AVEC ÉLECTRO-OSMOSE... 15 2.2. RENFORCEMENT DES SOLS FINS... 15 2.2.1. RENFORCEMENT PAR COLONNES BALLASTÉES... 16 2.2.2. RENFORCEMENT PAR COLONNES DE SOL TRAITÉ À LA CHAUX... 18 2.2.3. RENFORCEMENT PAR CONGÉLATION... 18 2.2.4. RENFORCEMENT PAR ÉLECTROCONSOLIDATION... 19 3. METHODES DE TRAITEMENT DES SOLS GRENUS... 19 3.1. PRÉCHARGEMENT... 20 3.2. PILONNAGE INTENSIF (CONSOLIDATION DYNAMIQUE, COMPACTAGE DYNAMIQUE).... 20 3.2.1. PRINCIPE... 20 3.2.2. ASPECT THÉORIQUE... 21 3.2.3. SOLS POUVANT ÊTRE TRAITÉS... 23 3.2.4. MISE EN OEUVRE... 24 3.2.5. MÉTHODES D ÉTUDES... 26 3.2.6. CONTRÔLE... 28 3.2.7. DOMAINE D APPLICATION... 29 3.2.8. AMÉLIORATIONS OBTENUES... 29 3.2.9. LE SUIVI GÉOTECHNIQUE ET ENVIRONNEMENTAL... 29 3.3. COMPACTAGE PAR EXPLOSIFS... 31 3.3.1. PRINCIPE... 31 3.3.2. MISE EN OEUVRE... 31 3.3.3. MÉTHODES D ÉTUDE... 32 3.3.4. CONTRÔLE... 33 3.3.5. DOMAINE D APPLICATION... 33 3.4. VIBROCOMPACTAGE (VIBROFLOTTATION, ETC., MARQUE DÉPOSÉE).... 33 3.4.1. PRINCIPE... 33 3.4.2. MISE EN OEUVRE... 34 3.4.3. MÉTHODES D ÉTUDE... 35 3.4.4. CONTRÔLE... 35 3.4.5. DOMAINE D APPLICATION... 36 3.4.6. SES VARIANTES... 36 3.4.7. VIBRO-REMPLACEMENT... 36 3.4.8. VIBRO-REFOULEMENT... 37 3.4.9. COLONNES DE BÉTON... 37 3.4.10. RÉSULTATS... 37 3.5. INJECTION... 37 3.5.1. PRINCIPE... 38 3.5.2. DOMAINES D APPLICATION... 38 3.5.3. MISE EN OEUVRE... 38 3

4. CHOIX D UNE MÉTHODE DE TRAITEMENT... 39 5. CONCLUSION... 40 6. BIBLIOGRAPHIE... 40 4

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. 1.1.1. 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. 1.1.2. 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

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). 2.1. 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. 2.1.1. Préchargement seul ou avec dispositions particulières. 2.1.1.1. 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. 2.1.1.2. 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. 2.1.1.3. 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

- 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

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. 2.1.2. Préchargement par le vide (Consolidation atmosphérique) 2.1.2.1. 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

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. 2.1.2.2. 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. 2.1.2.3. Conditions limites. Le raisonnement précédent n est valable qu aux 4 conditions suivantes 9

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 + 0 =12 et h T =12 + 10 = 22 en tenant compte de la pression atmosphérique. Nous avons, avant pompage, la même valeur en B par hypothèse h B = (10 + 12 = 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 10 + 12 = 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. 2.1.2.4. Aspect théorique. 1.-Diagramme de consolidation classique 10

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 2-10. Schéma unidimensionnel du pompage avec drains 11

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. 2.1.2.5. 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 = 1 + 3 /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 2-11. Principe du diagramme p,q Figure 2-12. 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

Cm= n.pa.tan(ø) Cette cohésion apparente est toujours présente quelles que soient les déformations. Figure 2-13. 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%. 2.1.2.6. 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.. 2.1.2.7. 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. 2.1.3. Préchargement associé à un réseau drainant 2.1.3.1. 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. 2.1.3.2. 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

pierres poreuses plaques pleines bague oedométrique drain central Figure 2-14. 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 1. 2.1.3.3. 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 2-15. 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

Figure 2-16. schéma de principe machine, mise en place et fonctionnement du drain 2.1.3.4. 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. 2.1.4. 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 5.10-5 (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. 2.2. 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

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. 2.2.1. Renforcement par colonnes ballastées 2.2.1.1. 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 2-17. Principe de réalisation des colonnes ballastées. 2.2.1.2. 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

Figure 2-18. 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. 2.2.1.3. 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. 2.2.1.4. 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

2.2.2. 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. 2.2.2.1. 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. 2.2.2.2. 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 2-19. Principe de réalisation des colonnes de soil-mixing. 2.2.2.3. 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. 2.2.3. Renforcement par congélation 2.2.3.1. 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

Figure 2-20. traitement par congélation à Nice d une zone sous chaussée traversée en tunnel et à Vienne sous bâtiment pour tunnel de métro 2.2.3.2. 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. 2.2.3.3. 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. 2.2.4. Renforcement par électroconsolidation 2.2.4.1. 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. 2.2.4.2. 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. 2.2.4.3. 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

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. 3.2. Pilonnage intensif (consolidation dynamique, compactage dynamique). 3.2.1. 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 1969 1970 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

- provoquer des tassements supérieurs à ceux attendus sous le chargement futur ; - augmenter les caractéristiques mécaniques du sol ; - réduire le potentiel de liquéfaction des sables lâches. Ce procédé de traitement des sols est utilisé pour fonder des bâtiments ou des ouvrages, ou pour stabiliser de grandes surfaces de remblais ou de sols lâches. 3.2.2. Aspect théorique La technique, d'abord appliquée à des sols pulvérulents, non saturés, en couches minces, fut étendue par Louis Ménard, dans les années 1970, pour améliorer les sols saturés et ou cohérents, d'où le nom actuel de consolidation dynamique par opposition à la consolidation statique. Quand il n'existe pas de fines couches sableuses pour aider à la dissipation des surpressions interstitielles provoquées durant la consolidation dynamique. La méthode peut être associée à un pré-chargement et à des drains verticaux. Enfin la technique peut être appliquée sous l'eau. Les premiers chantiers furent entrepris sur des bases empiriques. Cependant, les observations amenèrent rapidement Louis Ménard aux conclusions suivantes : les sols dits «saturés» font preuve d'une compressibilité immédiate sous les chocs ; sous les impacts répétés, le sol subit une liquéfaction graduelle, par suite de l'augmentation continue de la pression interstitielle ; la perméabilité du sol augmente pendant les impacts, pour deux raisons : d'une part les contraintes de traction circonférentielles créent des fissures radiales dans le sol, d'autre part l'état de liquéfaction change la perméabilité du matériau qui devient comme un ensemble de particules en suspension ; une fois que la liquéfaction a cessé et que les pressions interstitielles sont revenues à leur niveau hydrostatique, on note une amélioration complémentaire du sol en fonction du temps. Si l'on compare ces observations avec celles qui ont permis à Terzaghi d'établir sa théorie de la consolidation, il apparaît les différences suivantes : la relation effort déformation est soumise à un phénomène d'hysteresis ; le fluide interstitiel est probablement compressible ; le module de compressibilité du squelette solide est variable ; le coefficient de perméabilité varie aussi en fonction du temps. Ménard avait déduit de cela que le gaz inclus dans le fluide interstitiel jouait un grand rôle : les microbulles se comprimaient sous le choc entraînant un tassement immédiat en même temps qu'une augmentation des pressions interstitielles ; ensuite les bulles de gaz reprenaient petit à petit leur volume initial chassant un volume d'eau égal entre les particules solides en suspension ou à travers les fissures de traction. Il visualisait le sol comme un empilement de capacités hydropneumatiques. Il semble qu il ne faille pas considérer la réponse du sol comme élastique isotrope, comme c'est le cas sous une surcharge. En réalité, on doit faire l'hypothèse d'une réponse élasto-plastique déviatoire. Il s'ensuit d'ailleurs que l'hysteresis observée sur le comportement du sol s'explique de lui-même. Au point de vue théorique comme au point de vue pratique, on doit séparer les sols saturés et les sols non saturés. Dans les sols non saturés, les effets de l'impact sont semblables à ceux que l'on crée durant un essai Proctor au laboratoire. Toutefois, nous soulignerons deux points : il n'existe pas de théorie «mécanique» de l'essai Proctor à notre connaissance et l'ingénieur ne doit pas être ignorant des différentes formes de la courbe Proctor (fig. 3-6). En fait, les sables peuvent être compactés à une densité sèche élevée pour une teneur en eau nulle ; ceci explique pourquoi la consolidation dynamique est valable pour compacter des sables dans des pays désertiques. On doit enfin visualiser que, durant l'impact, des zones cisaillées donc plastifiées se forment autour et audessous de l'empreinte (figure 3-3). En conséquence, non seulement des ondes élastiques transitoires sont produites par le choc mais, également, une onde plastique de chargement puis une onde plastique de déchargement en fin d'impact. Ces dernières ondes, totalement apériodiques, transmettent l'énergie de compactage et se propagent derrière les ondes élastiques, avec une vitesse inférieure. Dans les sols saturés, le phénomène se complique encore en raison de l'existence d'un milieu tri-phasique. On a imaginé que les ondes élastiques dites de volume et d'interface, qui se propagent d'abord, jouent chacune un rôle différent : l'onde P, une onde de compression, se propage dans la phase liquide, accroît la pression interstitielle et, par son mouvement de compression-traction, disloque le squelette solide ; l'onde S, une onde de cisaillement, se propage moins vite dans les grains et les réarrange dans un assemblage plus dense. Les ondes de Rayleigh jouent le même rôle que les ondes S en se déplaçant parallèlement à la surface du sol. Reste à mieux connaître le rôle des ondes plastiques de chargement et de déchargement. 21

Figure 3-3. Onde généré par l impacte et chronologie des phénomènes : 1 énergie mise en oeuvre en tm/m 3, 2 variation de volume en fonction du temps, 3 rapport de la pression interstitielle u à la pression de liquéfaction en fonction du temps, 4 variation de la portance du sol en fonction du temps, 5 phase de liquéfaction, 6 phase de dissipation de la pression interstitielle, 7 phase de regain thixotropique. Les fissures de traction sont naturellement provoquées, avons-nous dit, par les tractions circonférentielles (voir fig. 2e) et serviront de chemins de drainage privilégiés. De plus, la compression adiabatique des microbulles de gaz créera des marteaux d'eau dans les espaces interstitiels, entraînant des agrandissements de ces fissures. Comme dans les autres méthodes d'amélioration mécanique, l'augmentation de la résistance au cisaillement et du module de déformation continuera au-delà de la période de dissipation des surpressions interstitielles, pendant des semaines ou même des mois. Bien que ce phénomène ait été appelé regain thixotropique, des recherches sont à poursuivre pour expliquer ce comportement : un changement graduel dans les couches d'eau absorbée ou une cimentation chimique peuvent être parmi les causes profondes. 22

Figure 3-4. Compactage du sol par impacts : relation entre 0 et d. Figure 3-5. Variation du potentiel de liquéfaction d'échantillons densifiés par serrage ou par liquéfaction-drainage. La consolidation dynamique augmente la densité et le coefficient Ko. Étant donné que la densification est causée dans les sols saturés par des cycles successifs de liquéfaction et de drainage, il en résulte un vieillissement sismique du sol. En conséquence, cette méthode peut être utilisée non seulement pour améliorer la force portante d'un sol et réduire les tassements sous charge, mais aussi pour réduire le potentiel de liquéfaction des couches pulvérulentes lâches dans les zones à risque sismique. En cas de tremblement de terre, la question a été posée de déterminer le risque de perte de stabilité des zones traitées. Cette idée est basée sur des études qui confirment qu'une mise en liquéfaction préalable est un moyen pour faire décroître le potentiel de liquéfaction dans l'avenir. En utilisant un appareil triaxial cyclique, il avait été possible de démontrer que, après plusieurs cycles de liquéfaction-drainage, le nombre de cycles pour obtenir à nouveau la liquéfaction était plus grand que sous compression isotrope, bien que l'augmentation de densité puisse être faible (fig. 3-7). Pendant la consolidation dynamique, la liquéfaction peut être atteinte sous chaque empreinte, non seulement pour le cycle d'impacts dans l'empreinte, mais aussi pour chacun de ceux des empreintes voisines. On note qu'aux passes suivantes, la liquéfaction n'est plus atteinte pour le même nombre d'impacts dans chaque empreinte. Cet effet de l'histoire sismique du sol sur son futur comportement a été étudié mais certains chercheurs semblent toutefois fixer un niveau de déformation maximal au-dessus duquel la tendance pourrait s'inverser. 3.2.3. Sols pouvant être traités Une opération de pilonnage nécessite des études de sol trois fois plus denses que de coutume. II est indispensable d'estimer de façon précise le comportement du sol et les résultats escomptés, afin de déterminer les modalités du compactage : énergie appliquée, répartition des impacts, nombre de passes, etc. Pour cela, il est impératif de connaître la nature et les propriétés des couches sous-jacentes ainsi que le niveau de la nappe phréatique. Seuls les sols présentant des caractéristiques de consolidation à long terme sous l application de charges, tels que les argiles et sols organiques, ne répondront pas favorablement au traitement. Des remblais d argile ont toutefois été traités pour en réduire les vides importants. Par ailleurs, certains dépôts ne pourront être améliorés que par compactage dynamique comme par exemple les sols d origine morainiques, les débris de construction et les remblais d enrochements renfermant de gros éléments. Le compactage dynamique s est révélée particulièrement efficace pour développer des sites jadis considérés comme impropres à la construction en raison des difficultés techniques ou des coûts élevés que représentaient les méthodes de fondation conventionnelles. C est le cas notamment des sites où des remblais hétérogènes ont été déversés à tout hasard et que l on retrouve en fortes concentrations à la périphérie de grands centres urbains, dans les carrières abandonnées, dans les zones portuaires ou pour des édifices résidentiels de prestige construits sur des terrains gagnés sur les rivières ou la mer. -Enrochements et graviers 300 à 600 kpa -Sable et graviers 250 à 500 kpa 23

-Sable silteux 150 à 300 kpa -Silt sableux et silt argileux 100 à 200 kpa -Remblais hydrauliques de sable silteux 150 à 250 kpa -Remblais hétérogènes 100 à 250 kpa L'hétérogénéité du sol peut également imposer des traitements différents selon les endroits. Il importe que ces variations soient connues d'avance pour pouvoir moduler l'intensité du pilonnage et obtenir les caractéristiques uniformes souhaitées. Cette technique a conduit à la création d'un appareil de laboratoire, l'oedomètre dynamique. C'est un véritable simulateur dont la chambre de 0,80 m de haut et de Ø 0,30 m a une contenance de 40 litres. lies échantillons prélevés aux différentes profondeurs reconstituent le sol qui est replacé dans les conditions de pressions naturelles. Figure 3-6. Oedomètre dynamique La contrainte verticale correspondant à la charge est appliquée, tandis que sont mesurées les contraintes horizontales. Puis, l'échantillon subit rigoureusement le processus de compactage dynamique qui sera appliqué au terrain. C'est-à-dire qu'il reçoit une énergie de 10 tm/m 3 et diverses mesures sont effectuées : le tassement, la pression interstitielle et la pression horizontale. Celle-ci est comparée à la pression verticale. Lorsqu'elles deviennent égales, c'est que l'effet maximum a été obtenu. En pratique, une deuxième application d'énergie est donnée, dès qu'un seuil de 50 millibars est atteint. Le terrain étant déjà plus dense, donc moins perméable, la pression interstitielle se réduit plus lentement. L'opération est renouvelée jusqu'à ce que les caractéristiques souhaitées soient obtenues. A chaque phase, l'amélioration du terrain progresse, il est possible de pratiquer les mêmes mesures de mécanique que dans un oedomètre ordinaire pour savoir si le terrain est susceptible de porter les charges imposées par l'ouvrage. il y a tuf parallélisme total avec les traditionnelles études de laboratoire utilisées particulièrement en matière de chargement statique. 3.2.4. Mise en oeuvre Avant pilonnage, le sol est recouvert d une couche de matériaux grenus d un mètre minimum d épaisseur, qui a pour rôle principal d éviter un enfoncement trop important du pilon. Le procédé consiste à faire chuter de façon méthodique et répétée de lourds pilons d acier sur la surface des sols à traiter. À l aide de puissantes grues sur chenilles adaptées, les pilons sont levés pour ensuite retomber en chute quasi-libre. La masse de ces pilons varie généralement entre 10 et 18 tonnes métriques, mais avec un système de levage spécial elle peut être portée à 30 tonnes ou davantage pour augmenter la profondeur du traitement. La hauteur de chute varie habituellement entre 10 et 25 mètres au dessus de la surface de travail. Le pilon est lâché d une grue, plusieurs impacts étant réalisés au même point. De profondes empreintes, encore appelées cratères, sont créées. qui sont remblayées entre passes. Cette opération est répétée sur l ensemble de la surface à traiter selon un maillage défini auparavant. Un temps de repos doit être respecté entre les phases de pilonnage, afin de permettre la dissipation des surpressions interstitielles induites par les chocs. Le pilonnage se poursuit jusqu à obtention du résultat souhaité. En fin de traitement, une dernière phase, dite de tapotage est réalisée afin de compacter la surface du sol désorganisée par les chocs. Les traitements courants font appel à des pilons de 100 à 200 kn tombant de 15 à 20 m de hauteur. Certains chantiers exceptionnels ont nécessité le développement de matériels spécifiques utilisant des pilons de 400 kn et 2000 kn lâchés respectivement d une hauteur de 40 et 20 m (figure 3-2). L'énergie totale appliquée par unité de surface est comprise entre 1 500 et 4 000 kj/m. L'énergie par coup ne dépasse souvent pas 3 000 kj. 24

Figure 3-7. Impact du pilon Les types de pilons utilisés comprennent aussi bien des blocs de béton ou des coques en acier remplies de béton (jusqu'à 80 kn) que des cylindres d'acier ou des plaques d'acier boulonnées ensemble jusqu'à atteindre 1700 kn ; les pilons utilisés dans l'eau ont habituellement des formes permettant de résoudre les problèmes complémentaires auxquels on se heurte alors (résistance de l'eau, aquaplaning. etc...). Dans tous les cas, les pilons doivent prouver leur durabilité. Les machines utilisées pour lever les pilons sont variées : depuis, pour des poids de 150 kn maximum, les grues dites de 100 tonnes qui nécessitent certaines adaptations jusqu'aux engins conçus par Ménard : le tripode «40 tonnes - 40 m» (fig. 3-4) ou la gigamachine de Nice. Figure 3-8. Exemples de matériel de levage Les photos des figures 3-8 et 9 montrent divers appareils de levage, dont certains, permettent de lever des masses encore plus grosses pour appliquer des énergies considérables au sol et l améliorer sur de plus grandes profondeurs. Notamment, la «GIGA» a été spécifiquement construite pour améliorer 30 mètres d enrochements déversés dans la mer pour l agrandissement de l aéroport international de Nice à la fin des années soixante-dix. La «GIGA» avait été conçue pour lever et relâcher des masses dépassant les 150 tonnes à des hauteurs de 30 mètres. Figure 3-9. Exemples de réalisation : Abu dhabi, Nice L énergie d un impact appliquée au sol se mesure en tonnes-mètres (t-m) et la magnitude de cette énergie par chute constitue un facteur déterminant dans la mesure et la profondeur de l amélioration obtenue. Les autres facteurs qui affectent de façon significative la profondeur maximum et le degré d amélioration sont la conception du programme d application d énergie, la séquence, le bon nombre d impacts par empreinte, et le monitoring attentif de la réponse du sol tout au long des travaux. L augmentation et le rythme de dissipation des pressions interstitielles, le tassement provoqué suite à l application de chaque phase d énergie et le gonflement sont autant d éléments additionnels qui doivent être constamment suivis et pris en compte tout au long du traitement. 25

Le compactage dynamique est d'exécution extrêmement rapide et, dans le cas de sols granulaires dont l épaisseur est de l ordre de 12 mètres ou moins, il est sans conteste le plus économique des procédés d amélioration de sol existants. Les surfaces traitées, après mise au point sur le chantier, varient de 300 à 600 m 2 par jour. Habituellement, les travaux sont réalisés par des entrepreneurs spécialisés, qui ont une licence d'exploitation des propriétaires actuels des brevets (Soletanche S.A., en ce qui concerne le brevet de 1972). Ces entrepreneurs s'engagent sur des résultats tels qu'un taux de travail admissible ou des tassements différentiels maximaux ( w) pour un type de structure donné. 3.2.5. Méthodes d études Elles sont encore empiriques et dépendent beaucoup de l expérience acquise sur les chantiers. Quelques règles simples permettent d orienter le choix de la masse à utiliser et de déterminer sa hauteur de chute. Les points principaux sont: l'applicabilité de la technique, les paramètres à définir, les effets sur l'environnement. 3.2.5.1. Applicabilité de la technique L'expérience a montré que la consolidation dynamique peut être utilisée pour améliorer tous les types de matériaux pulvérulents, y compris les enrochements, aussi longtemps qu'il y a un rapport convenable entre le poids du pilon de compactage et le poids des plus gros blocs rocheux composant le remblai. Tableau 4 TYPE DE SOL AMÉLIORATION POSSIBLE TAUX DE TRAVAIL MAXIMAL Sol argileux Limon Sable 100% 200 % 3-400% 100 kpa 200 kpa 350 kpa Pour ce qui est des matériaux plus fins, les limons ont déjà été traités avec succès ainsi que certains dépôts argileux, généralement varvés, avec des lits de sable. Cependant, le facteur d'amélioration de ces argiles n'a jamais été supérieur à 2. Il s'ensuit que la force portante finale est encore faible et que des tassements appréciables sont à prévoir. Les tourbes et les matériaux de décharge, industriels ou ménagers, peuvent également être améliorés. Figure 3-10. Granulométries pour lesquelles le compactage dynamique est applicable (Lukas, 1986) En ce qui concerne les argiles, les caractéristiques d'identification et l'activité minéralogique doivent être connues. Compte tenu des chantiers réussis, il semble que l'indice de plasticité doive être inférieur à 15 et la limite de liquidité à 35 pour obtenir de bons résultats. Cependant, les perfectionnements de la technique permettront, petit à petit, d'augmenter son champ d'application. 26

De toute façon, les argiles gonflantes (telles que la montmorillonite), les argiles saturées en ions à fort pouvoir d'hydratation (comme l'ion sodium) et les argiles sous-consolidées doivent être évitées. Quand la fraction argileuse est importante, la combinaison de la consolidation dynamique avec la surcharge et le drainage vertical peut être envisagée. Enfin, les anciennes décharges publiques peuvent être traitées à condition que la teneur en matière organique, sous le niveau d'eau, reste faible. 3.2.5.2. Paramètres à définir Les principaux paramètres à définir pour exécuter un chantier sont: l'énergie par coup, la maille de la grille des empreintes, l'énergie totale par unité de surface. 3.2.5.3. Énergie par coup Louis Ménard a démontré empiriquement qu'il y avait une relation entre l'énergie par coup (qui peut s'exprimer comme le produit du poids du pilon P par la hauteur de chute H et la profondeur D d'amélioration sensible de la couche traitée : D. W. H où D profondeur d influence et H hauteur de chute du pilon sont exprimés en mètre W masse du pilon est en tonnes. Le coefficient varie entre 0,5 et 1 selon la séquence des couches de sol à traiter, la présence ou l'absence d'un substratum plus compact, etc. Profondeur d influence en mètre depth of influence (m) 30 25 20 15 10 5 0 granular soils silts fill Different soils (Mayne et al., 1984) MSW Loose silty sand (Holeyman, 1986) D=3 (WH) D= (WH) D=0,5x (WH) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Energy (W.H) (ton.m)^1/2 Énergie par coup en kn.m Figure 3-11. relation profondeur d influence, énergie 3.2.5.4. Dimension de la maille Cette dimension est habituellement choisie à la suite d'une planche d'essai, en même temps que le nombre de coups par point pour la première passe. D'une manière habituelle, l'espacement de principe (voir fig. 4) est approximativement égal à la profondeur du traitement. Au cours des passes suivantes, la dimension de la maille est diminuée progressivement pour compacter l'ensemble du sol d'une manière homogène. 3.2.5.5. Énergie totale A partir de son expérience antérieure, l'entrepreneur spécialiste peut tracer des courbes donnant l'amélioration des caractéristiques mécaniques en fonction de l'énergie totale appliquée, selon le type de sol, l'épaisseur de sol à traiter et l'énergie par impact (fig. 3-3). Inversement, pour un chantier donné, une fois les caractéristiques initiales connues par des essais en place (SPT, pénétromètre, pressiomètre), il est possible d'estimer l'énergie totale qui sera nécessaire pour porter les caractéristiques au niveau spécifié. 27

qc above critical depth (MPa) 20 18 16 14 12 10 8 6 qc=22.5(log AE 1.85) 4 50 225 500 Applied energy (ton.m/m²=0.01 MJ/m²) 28 Virginia Sweden Scotland Ohio Israel Indiana Illinois France Qatar Belgium other correlation Figure 3-12. Essai de recherche d'une fonction U =f(q c ) dans certains sols (communication personnelle de P. Mayne). 3.2.5.6. Autres paramètres Les dimensions du pilon doivent être fonction de la force portante (dynamique) et de la déformabilité de la couche superficielle (déjà en place ou à rapporter) de manière à ne pas perforer cette dernière. La surface traitée doit déborder largement de l'emprise au sol de l'ouvrage : en effet, l'énergie de chaque impact étant distribuée en profondeur avec épanouissement, il est nécessaire que les fondations soient au-dessus de la zone où le degré d'amélioration est constant. Le nombre de passes dépendra du nombre de coups maximal qui peut être appliqué par passe. La durée de repos entre passes sera fonction du temps de dissipation de la surpression interstitielle. La plupart du temps, l'énergie est appliquée en plusieurs passes, en raison de l'accroissement des pressions interstitielles. Les périodes de repos entre passes peuvent atteindre plusieurs semaines. Bien que la production puisse atteindre 1 hectare par mois (toutes passes confondues), dans le cas de sols argileux aucune zone traitée ne peut être livrée avant plusieurs mois. Le délai qui sépare deux phases de traitement varie de quelques jours à plusieurs semaines selon la perméabilité du sol. En traitement courant les impacts sont distribués selon des mailles de 5 à 8 m de côté. Le maillage, l énergie utilisée, le temps de repos entre phases, ainsi que le nombre de phases, sont ajustés au début du chantier sur des zones d essai où l on doit mesurer - l évolution des enfoncements du sol au fond et autour des empreintes, en fonction du nombre des impacts - la dissipation des surpressions Interstitielles, - l évolution des caractéristiques mécaniques, - éventuellement les vibrations provoquées (géophones et accéléromètres) pour évaluer les effets sur les structures avoisinantes. Ces zones d essais permettent également de choisir des paramètres de traitement pour s affranchir de l effet de dalle (compactage trop intense en surface empêchant la densification en profondeur), et pour éviter un enfoncement trop important du pilon. Les tassements provoqués pendant le traitement sont de l'ordre de 3 à 10 % de l'épaisseur du terrain compacté quand il s'agit de sols naturels et plus encore pour les remblais. Il en résulte un accroissement des caractéristiques mécaniques (telles que le module de déformation ou la résistance au cisaillement) qui se trouvent multipliées par un facteur de 2 à 4. 3.2.6. Contrôle Le programme de suivi géotechnique est de la plus grande importance dans de tels travaux. Avant traitement, les appareils de contrôle indispensables sont mis en place dans le sol : tassomètres, et capteurs de pression interstitielle sont les plus courants ; piezomètres ouverts, cellules de pression totale, inclinomètres peuvent être également nécessaires. Le contrôle d exécution du chantier comprend - des mesures topographiques autour et en fond d empreinte pour mesurer les déplacements verticaux et évaluer l effet du traitement, - des mesures de pressions interstitielles permettant de définir le temps de repos entre chaque phase db traitement, - des essais géotechniques avant et après chaque phase de traitement afin de juger de l amélioration obtenue. Avant et après chaque passe, on s'assure de la réponse du sol au traitement, par mesure ponctuelle des enfoncements et par des essais in situ : SPT, pénétromètres, mais aussi et surtout pressiomètres. Ces derniers donnant une courbe effort-déformation complète mesurée sur la paroi du forage. Lorsque l établissement de la

densité relative est spécifiée pour évaluer la performance des fondations ou pour évaluer la réponse séismique, il est suggéré d utiliser les méthodes in situ telles que l essai standard de pénétration (SPT, N) l essai de pénétration au cône (CPT) l essai au cône quasi-statique (DCPT) selon que l une ou l autre de ces méthodes apparaisse plus appropriée. Pour des applications spéciales, on a également eu recours à des méthodes sismiques (SWV et SASW) et des essais de chargement sur plaque. Des planches d'essai sont réalisées pour déterminer les différentes caractéristiques du traitement dont nous reparlerons au paragraphe. Ces contrôles doivent être renouvelés en cours de chantier, soit pour adapter le mode de compactage (grande étendue à compacter, zone hétérogène, etc.), soit pour vérifier que les résultats espérés sont atteints. 3.2.7. Domaine d application Ce procédé est plus spécialement adapté au traitement des sols grenus perméables, y compris les enrochements de grande dimension. Toutefois des chantiers ont également été réalisés pour consolider des zones de décharges ou des remblais argileux initialement mal compactés. Cette méthode a pu être étendue à des sols renfermant un pourcentage important d éléments fins. On prend alors des dispositions particulières, telles que la mise en place d une surcharge statique et la réalisation de drains verticaux permettant une dissipation plus rapide des surpressions interstitielles. Au coût de revient près, ce mode de compactage s applique aussi bien en grande masse (zone industrielle, par exemple) que pour des surfaces plus réduites (bac ou réservoir, remblai). Par ailleurs, on peut étendre le procédé au compactage des sols sous l eau, avec des pilons spécialement profilés, afin d éviter une trop grande perte d énergie lors du choc à la surface de l eau et pendant la traversée de la lame d eau. L'utilisation la plus fréquente du compactage dynamique, et celle susceptible de générer les plus importantes économies de temps et de coûts, concerne l amélioration des sols pour la construction d un dallage sur sol et de fondations superficielles pour bâtiments ou ouvrages de génie. Le compactage dynamique remplace souvent l excavation et le remplacement des sols en place ainsi que les fondations profondes avec des inclusions rigides. Le compactage dynamique est également utilisé pour : support fiable pour fondations superficielles de tous types de structures par l amélioration des caractéristiques de portance et la satisfaction des critères de tassement total et différentiel sévères ; assurer la bonne tenue du revêtement dans les aires de stockage ou de manutention de matériaux hautement chargées, telles celles des entrepôts, pistes d aéroport, terminaux de conteneurs, etc. ; réduire le potentiel de liquéfaction des sols dans les zones à haute sensibilité sismique ; stabiliser pentes, barrages, digues, etc. ; réduire les vides dans les décharges ; défoncer cavernes et mines abandonnées ; densifier des sols marins et remblais placés sous l'eau, etc. 3.2.8. Améliorations obtenues D'une façon générale, les caractéristiques géotechniques des sols granulaires traités par compactage dynamique augmenteront par un facteur variant de 2 à 4 et la profondeur d amélioration se situera entre 10 et 16 mètres. Dans des sols fins, des silts aux sables silteux, une partie non négligeable de cette amélioration ne surviendra que deux ou trois mois après la fin du traitement. Ce phénomène de vieillissement doit être anticipé lors des essais plutot que de retarder la construction, une solution rarement acceptable. La portance admissible après traitement sera de l ordre de 100 à 200 kpa dans le cas de sols ou de remblais silteux, et de 200 à 400 kpa, parfois plus, dans les sols ou remblais granulaires ayant une bonne perméabilité. Des capacités portantes de 800 kpa et des exigences sévères de tassement total et différentiel ont été obtenus dans des sols granulaires. À de hautes capacités portantes, le mouvement élastique, pouvant atteindre plusieurs centimètres, et doit être pris en compte tel qu en vue de la construction de silos, (virgule) pour lesquels les cycles de chargement-déchargement provoqueront d énormes changements de contraintes au sol. Ces chiffres ne représentent qu un ordre de grandeur. Les résultats du traitement, qu il s agisse de la portance obtenue ou de la profondeur d amélioration, dépendent d un grand nombre de facteurs, les uns intrinsèques aux sols mêmes, tels leur nature, leur composition et leur perméabilité, les autres extrinsèques, dont les variables du programme de compactage. L analyse de ces facteurs et le choix des moyens à mettre en œuvre pour optimiser les résultats du traitement, il faut bien le rappeler, ne relèvent pas de la science, mais plutôt de l art) donc de l'expérience et de la compétence du spécialiste. 3.2.9. Le suivi géotechnique et environnemental Le suivi continu de la réponse des sols apporte l assurance que le traitement : progresse selon les prévisions et, dans le cas contraire, d en modifier le programme, qu elle sera complétée dans les délais prévus, et qu elle ne crée pas de risque pour l environnement. 29

Ce suivi s effectue à toutes les étapes du traitement et en tout point sur le chantier, la mesure de la réduction du volume de sol traité. Il sert à mesurer la réduction du volume et permet des comparaisons non seulement en divers points du chantier mais aussi avec des projets antérieurs offrant des conditions similaires. Il sert de plus à identifier les anomalies ou variations qui requièrent une attention immédiate. Dans les dépôts de sols fins et saturés, les pressions interstitielles et leur rythme de dissipation de même que le gonflement possible sont relevés pour établir le seuil au delà duquel l application d énergie cesse d être productive. La réalisation d essais de sol in situ en cours de traitement est requise dans les cas d application complexe. Les impacts du pilonnage induisent des vibrations dont l effet sur l environnement doit être pris en compte (figure 27). Figure 3-13. Enregistrements des différentes ondes au voisinage d'un impact (document SESRS). Figure 3-14. Vitesses particulaires maximales mesurées lors de chantiers de consolidation dynamique en fonction d'un paramètre énergie/distance (le segment de droite en haut à gauche correspond aux sois argileux). La consolidation dynamique, comme les autres méthodes de traitement de sol mettant en jeu des vibrations, est une source potentielle de dommages pour le voisinage. La mesure de l'accélération particulaire sur les bâtiments voisins est souvent nécessaire. A partir des relevés exécutés jusqu'à maintenant (fig. 14), on montre que la vitesse particulaire maximale v peut être donnée en fonction d'un facteur d'énergie pondérée, d'une manière semblable à celle donnée pour le battage des pieux (fig. 15). Une moyenne de la valeur de v semble être donnée par : E v 70. 2 10. D où : v est exprimé en mm/s ; E est en kilojoule ; D est la distance en mètres entre le centre de l'impact et la structure. Si on considère v= 50 mm/s comme le maximum admissible pour de petits bâtiments, on peut donc considérer que l'inéquation : 2 E 5,5. D permet de limiter l'énergie par impact en fonction de la distance D au plus proche bâtiment. 0,56 30

Figure 3-15. Échelle des sensibilités aux vibrations. On doit rappeler par ailleurs que les voisins ressentiront des vibrations inférieures à 5 mm/s et que, en conséquence, des problèmes psychologiques peuvent également devoir être réglés (fig. 16). Il existe en tout état de cause des moyens de réduire les vibrations sur les existants en réalisant par exemple des tranchées. L effet des ondes de Rayleigh peut être atténué par le creusement de tranchées superficielles. Lorsque présents à proximité des travaux, les bâtiments et ouvrages sont inspectés par un spécialiste indépendant et les vibrations relevées à l aide de séismographe tri-axiaux. Dans des cas particuliers, des éléments de structures avoisinantes seront instrumentées pour y détecter rapidement tout mouvement qu elles pourraient subir. 3.3. Compactage par explosifs 3.3.1. Principe Cette technique est originaire d U.R.S.S par Ivanov où la première application rapportée date de 1936. Depuis, plusieurs chantiers importants ont été réalisés dans ce pays et quelques réalisations ont vu le jour aux U.S.A., en Pologne, en France et aux Pays Bas. Cette technique vise à augmenter les caractéristiques physiques et mécaniques des sols grenus à la suite d explosions provoquées au sein du massif â consolider, lesquelles ont une action complexe sommairement décrite ci-dessous : - la cavité gazeuse et les ondes de choc créées lors d une explosion se diffusent dans le massif en provoquant la destruction du squelette du sol, dont les grains connaissent un réarrangement plus ou moins rapide et plus ou moins important - Ce réarrangement entraîne une augmentation de densité qui dépend de la nature du sol et de sa perméabilité, de la puissance et de la position des charges ainsi que du confinement du volume traité. Pendant l explosion, on observe un soulèvement de la surface (plus ou moins marqué selon la puissance et la position des charges) et, dans certains cas, I apparition d eau expulsée du sol ce qui traduit l augmentation des pressions interstitielles. La dissipation de ces pressions interstitielles est, en général, rapide du fait de la perméabilité élevée des sols traités. Cette méthode doit être alliée à un léger traitement de finition, compte tenu de l état de surface obtenu après explosion remaniement superficiel, création possible de cratères et de fissures. La densité et la puissance des charges mises en place sont souvent fixées de manière expérimentale. 3.3.2. Mise en oeuvre Les charges sont mises en place au sein du massif et à la profondeur voulue, de façon simple et rapide (quelques minutes pour le forage et la mise en place des charges en site terrestre). - réalisation de forages tubés provisoirement, par lançage, vibration ou tout autre procédé (figure 29) 31

- descente des charges aux niveaux souhaités et détubage des forages, afin de refermer ces forages par éboulement ou par apport de matériaux, - réalisation éventuelle de forage d exhaure pour faciliter l évacuation de l eau, L explosion est commandée depuis la surface, les charges étant reliées au poste de tir par un cordon détonant. 3.3.3. Méthodes d étude L approche théorique des phénomènes provoqués par des explosions internes est très complexe elle ne conduit pas actuellement à la détermination des paramètres du plan de tir. Figure 3-16. Schéma type de tir On en est réduit à considérer, en première approche, le schéma d IVANOV (figure 30). Par la suite, la détermination de la position et de la puissance des charges se fait essentiellement par voie expérimentale, soit à partir de réalisations antérieures sur des sols comparables, soit à partir de planches d essais. Ces planches d essai revêtent une importance particulière dans la mesure où une mauvaise adaptation de la disposition des charges ou des plans de tir peut rendre le traitement totalement inefficace. Une reconnaissance préalable du site est indispensable stratigraphie des couches, granulométrie, densité en place, caractéristiques mécaniques, position de la nappe Cce procédé ne permet dans sa version originale que de densifier des sables propres. Supposons donc que nous soyons en présence de sables dont la courbe granulométrique se situe dans le fuseau B de la figure 30. Supposons également que ces sables soient saturés. S'ils ne le sont pas on peut envisager de les inonder ou de les traiter à l'occasion d'une crue. A noter que plusieurs auteurs ont cherché à augmenter l'effet de la gravité sur le ré-arrangement des grains en abaissant avant traitement le niveau de la nappe cette opération ne semble avoir eu ni résultat positif, ni résultat négatif. L'effet des attractions capillaires entre grains a probablement compensé l'augmentation de la contrainte effective jusqu'à la valeur de la contrainte totale. Comme nous l'avons vu les principaux paramètres du projet de densification par explosifs sont la maille des charges, la quantité d'explosifs par forage, le nombre de passes, la sécurité du voisinage. Nous n'avons qu'une donnée, l'épaisseur H de la couche de sable à traiter en mètres et nous cherchons à atteindre une densité relative de l'ordre de 70-80 %. Supposons que l'on envisage 4 séries de tir comme dans la figure 2. Pour une passe on prendra pour chaque charge isolée selon Ivanov Q = 0,055 [H/1,5] 3 où Q est la charge d'explosifs (TNT) en kg tirée au cours de la passe. Pour la maille carrée initiale de côté L (m) (c'est-à-dire le double de la maille finale), on prendra L = 2 k 3 Q ce qui revient d'ailleurs à une fonction linéaire de H. Les valeurs de k sont données ci-dessous en fonction de la granulométrie du sable et de sa densité relative initiale. 32

Tableau 5 : valeur de k dans la formule Indice de densité initiale 10-20 % 30-40 % 40 % Sable fin 4-5 3 2,5 Sable moyen 2,5-3 2,5 La profondeur de mise en place des charges, quand il n'y a qu'une charge par forage est donnée par Z = 0,66 H On doit noter que L/2 le côté de la maille finale est de l'ordre de grandeur du rayon d'influence R de l'explosif obtenu expérimentalement par le même Ivanov. 3.3.4. Contrôle Cette méthode nécessite un contrôle initial d aptitude du sol à être amélioré par explosifs, ainsi qu un contrôle final destiné à vérifier que les valeurs minimales des caractéristiques mécaniques ont été obtenues. Ce contrôle porte essentiellement sur l évolution: du poids volumique du sol en place (diagraphie, par exemple) des caractéristiques mécaniques in situ (pressiomètre, pénétromètre, SPT également pour l état de densité) des tassements de surface (par topographie) éventuellement des pressions interstitielles. Enfin, il est nécessaire de mesurer par sismographes la propagation des ondes émises, en particulier vers les bâtiments ou structures les plus proches, de façon à limiter, si besoin est, la puissance des tirs. 3.3.5. Domaine d application Cette méthode est surtout utilisée pour compacter les sols grenus propres et saturés, (éventuellement immergés), très peu à peu denses. Il faut toutefois signaler que des chantiers ont été réalisés dans des loess (après saturation préliminaire) et dans des limons. Ce procédé trouve son meilleur domaine d application lorsqu il s agit d améliorer des couches profondes, puisque le forage par lançage demeure peu onéreux (Les exemples connus mentionnent une profondeur maximale traitée de 30 à 40 m). De même que le matériel de vibroflotation ou de consolidation dynamique Ménard peut être utilisé pour réaliser des améliorations de sols argileux par inclusions, de même on peut réaliser des colonnes de sable dans des terrains cohérents avec des explosifs. Ces colonnes ont un double effet :. elles drainent l'eau expulsée du sol sous l'effet des surpressions provoquées par l'explosion,. elles jouent le rôle d'inclusion. Par des essais au Port du Nord à Gdansk, Dembicki a montré comment une charge linéaire disposée verticalement dans un terrain cohérent surmonté d'une couche de sable noyée permet d'obtenir ce résultat. Les charges sont placées dans des forages de 145 mm de diamètre espacés de 5 m selon une maille carrée. Sous l'effet de l'explosion dans les 2 à 5 secondes qui suivent il y a projection de gaz puis formation d'un geyser qui peut atteindre plusieurs mètres de haut. Ce geyser peut durer jusqu'à une dizaine de secondes. Enfin dans les 3 minutes un entonnoir de 0,24 à 8 m 3 apparaît dans le sable à la verticale de chaque forage. A aucun moment il n'y a éjection de matériaux solides au dessus du niveau du sol. La taille des entonnoirs est fonction de l'épaisseur de la couche de sable supérieure et du niveau supérieur de la charge linéaire. Le diamètre des colonnes de sable est de 0,5 à 1,5 m. La valeur moyenne de l'affaissement de la surface du sol est de 0,5 et 0,7 m dont seulement 0,04 m était dû à la densification de la couche sableuse formant le substratum. Les 4/5e du tassement apparaissent dans les 24 heures. Les premières colonnes réalisées sont compactées lors des tirs suivants. Il est recommandé de terminer leur compactage à l'aide de charges ponctuelles placées dans la couche pulvérulente supérieure. 3.4. Vibrocompactage (vibroflottation, etc., marque déposée). 3.4.1. Principe Cette technique est employée depuis de nombreuses années (depuis les années 1930) dans divers pays. Elle consiste à provoquer une vibration entretenue dans le sol à l aide d une pointe vibrante. Sous l effet de cette vibration et des cisaillements induits, les forces de frottement entre les particules de sol sont réduites. Cela autorise une restructuration qui augmente la densité initiale du matériau. 33

Pendant cette phase de restructuration, on observe un affaissement du sol autour du vibreur, ce qui traduit l augmentation de la compacité. La vibroflottation vise à densifier des sols lâches, tant sur terre ferme que sous l'eau, par l'application de vibrations à haute fréquence. De plus, des variantes du procédé permettent le remplacement partiel de sols traités et/ou leur renforcement au moyen de colonnes de pierre. La construction de colonnes de béton, faisant office de pieux de déplacement, est aussi réalisable avec le matériel de vibroflottation. Le compactage d'un sol lâche ou d'un remblai non compact peut être obtenu en profondeur par la pénétration d'aiguille vibrante. 3.4.2. Mise en oeuvre Le vibreur est, en général constitué par un cylindre de 30 à 40 cm de diamètre et de 2,50 à 5,00 m de long. Les vibrations sont générées à la partie basse de ce cylindre, qui est terminé par un sabot en acier dur. Les vibreurs utilisés actuellement sont construits sur un même principe : un ou plusieurs balourds sont entraînés par un moteur hydraulique ou électrique et provoquent des vibrations horizontales et circulaires. Leur puissance est de l ordre de 75 à 150 kw. La sonde est manœuvrée à l'aide d'une grue et enfoncée par lançage d'eau et/ou injection d'air comprimé. Quelques techniques voisines sont quelquefois employées vibration de palplanches et de profilés divers, par exemple. La pointe est descendue jusqu à la base du sol à traiter, puis le vibreur est remonté lentement, par une succession de mouvements alternatifs verticaux. Figure 3-17. vibreur L appareil est suspendu à un engin de levage. Il est surmonté de colonnes de tubes telles que la longueur totale soit égale à la hauteur de sol à compacter. Le vibreur est introduit verticalement sous l effet de son propre poids et de la vibration avec, éventuellement, un lançage à l air ou à l eau (figure 3-16). Le choix entre la pénétration à sec, ou à l aide d eau ou d air, dépend des caractéristiques du sol et de la présence d une nappe. L opération de compactage est suivie en observant l énergie électrique consommée par le vibreur pour la densification du sol. L opérateur peut faire varier la fréquence des vibrations, afin d améliorer l efficacité du compactage. On peut, dans certains cas, faire un apport de matériaux grenus. En fin de traitement, une finition de surface doit être réalisée réglage et compactage superficiel. Plus précisément, le vibrateur, manipulé par une grue, est mis en station au-dessus du point de compactage. Phase 1 : Sous l influence de son propre poids, du lançage et des vibrations, le vibrateur atteint rapidement la profondeur désirée. Les jets d eau à la pointe sont alors coupés. Phase 2 : L eau arrive désormais uniquement par les orifices du haut du vibrateur. Le cône obtenu facilite la mise en place de matériau d apport -sable ou gravier- dans la cavité créée. Le flux d eau le long du vibrateur aide au transport du sable jusqu à la zone de compactage à la base du vibrateur. Phase 3 : Le vibrateur est retiré par étapes et produit de cette manière un cylindre de terrain densifié de 2 à 4 mètres de diamètre. 34

Figure 3-18. Principe Dans les sols granulaires, le passage de l'aiguille vibrante provoque une liquéfaction du sol et un tassement quasi immédiat. Le resserrement du terrain en profondeur se traduit, à la surface, par un affaissement de forme conique qui doit être compensé par l'ajout de sable qu'on déverse au fur et à mesure du retrait de la sonde. Figure 3-19. Liquéfaction du sol Suite aux résultats obtenus dans la zone test, l'entreprise définit : - la fréquence du vibreur - la puissance de vibration - le temps de vibration pour chaque couche de terrain traversée On disposent des ordres de grandeur suivants des paramètres du traitement : - pénétration du vibreur dans le sol 1 à 2 m/min, - vitesse de remontée du vibreur lors du compactage en moyenne 0,3 m/min ; - volume d eau utilisée en moyenne 1,5 m 3 par m de déplacement du vibreur; - rayon d action du vibreur 1,5 à 4 m, selon le type de sol et la technique utilisée. 3.4.3. Méthodes d étude Compte tenu du nombre et de la complexité des paramètres à prendre en compte (granulométrie et indice des vides initial, degré de saturation du sol, perméabilité, intensité de la vibration), il n existe pas encore de méthode fiable donnant une relation entre l énergie dépensée et le degré de compactage à atteindre. Il est donc conseillé de réaliser une planche d essai dès le début du chantier afin de préciser les paramètres du traitement. Au préalable, il est nécessaire de déterminer l épaisseur de sol à traiter et de mesurer les caractéristiques physiques et mécaniques des sols (granulométrie, densité en place, caractéristiques pressiométriques et/ou pénétrométriques) et la position de la nappe. 3.4.4. Contrôle Le contrôle doit essentiellement être effectué dans les zones les nains favorables du traitement, c est-à-dire au centre des mailles. Pour vérifier l augmentation de compacité après traitement, toutes les méthodes courantes de mesure en place sont applicables : pénétromètre, pressiomètre, mesure de la densité par diagraphies, etc. Ces mesures permettent de modifier, le cas échéant, le maillage initialement retenu. 35

Pendant le traitement, la régularité et l homogénéité du compactage sont contrôlés en enregistrant en continu l énergie électrique consommée. La mesure des tassements et des volumes de matériaux ajoutés permettent d évaluer la variation de l indice des vides. Les mesures en place des caractéristiques obtenues ne doivent être réalisées que quelques heures (matériaux sableux) ou quelques jours (matériau limoneux) après le traitement, afin de permettre la dissipation des surpressions interstitielles. 3.4.5. Domaine d application Le vibrocompactage est habituellement utilisé dans des terrains sableux et graveleux. Pratiquement il s agit de sols ayant moins de 20 à 25 % d éléments fins de diamètre inférieur ou égal à 0,06 mm. Étant donné que l'on fait appel à des perforations verticales, la vibration horizontale associée au lançage s'applique particulièrement bien aux sols sablo-graveleux peu denses, et aux sols argileux et/ou limoneux peu consolidés. Les courbes granulométriques des terrains à traiter permettent de savoir dans quel domaine on se situe. Sur le graphique ci-dessous, on peut distinguer schématiquement 4 zones. Zone A : Les sols de cette zone sont très bien compactables. A noter toutefois que l'efficacité est telle que, dans certains terrains, la pénétration peut devenir difficile en profondeur. Zone B : Les fuseaux granulométriques des sols de cette zone correspondent aux meilleurs cas pour le compactage par la Vibroflotation. La teneur en particules fines (< 0.06 mm) doit rester inférieure à 15 %. Zone C : Le compactage par Vibroflotation reste possible. La présence de 20 % de particules fines (< 0.06 mm) augmente la durée des opérations. Zone D : La vibration est sans effet. Le procédé est utilisé comme moyen de perforation, en vue de faire des colonnes ballastées ou des pieux béton. Figure 3-20. fuseau granulométrique des sols pouvant être traités Les épaisseurs de sol couramment traitées varient de 8 à 10 m, mais on peut actuellement atteindre 30 m de profondeur. Cette méthode est plus particulièrement adaptée à des traitements localisés amélioration du sol de fondation sous les fondations d un ouvrage d art, d un bâtiment, d un réservoir, d un bassin de traitement, d un remblai mal compacté, etc. 3.4.6. Ses variantes Dans les années 50, une technique permettant la construction de colonnes de pierre à l'aide des sondes vibrantes classiques fut développée en Allemagne. Ce développement augmenta considérablement l'éventail des sols pouvant être améliorés. D'une part, l'ajout de pierre permettait de transmettre plus efficacement les vibrations aux sols hôtes, rendant ainsi possible la densification de sables et graviers contenant jusqu'à 30 % de silt. D'autre part, dans les sols ne pouvant être que marginalement améliorés, tels les sols argileux, la construction de ces colonnes résulte en la formation d'un sol composite possédant de meilleures caractéristiques géotechniques. Ces colonnes étant construites dans la cavité cylindrique résultant, soit de l'éjection à la surface des sols désagrégés par les jets d'eau utilisés pour le lançage de la sonde, soit du refoulement latéral du sol hôte sous l'effet du poids et de l'action du vibrateur sans lançage d'eau. Le premier procédé est mieux connu sous la désignation " vibro-remplacement " le deuxième " vibro-refoulement ". 3.4.7. Vibro-remplacement Vibro-remplacement par voie humide ou vibro-remplacement par alimentation depuis la surface sont les termes désignant la construction de colonnes de pierre utilisant les sondes vibrantes classiques avec injection d'eau. La grande quantité d'eau que requiert le procédé ainsi que le volume de boue qu'il produit et qu'il faut évacuer du site représentent des coûts élevés et peuvent constituer un obstacle sur le plan environnemental. Ces considérations ont donc conduit, dans les années 80, au développement de sondes pourvues d'une 36

canalisation fermée permettant d'amener la pierre à la base du vibrateur pour ensuite la compacter lors du retrait progressif de ce dernier. Vibro-remplacement par alimentation à sec ou vibro-remplacement par le fond sont les termes utilisés pour désigner ce procédé. 3.4.8. Vibro-refoulement Il s'agit de construire des colonnes de pierre dans une cavité formée sans éjection de sol vers la surface et par le simple déplacement latéral des sols sous l'effet combiné du poids et de l'action du vibrateur assisté au besoin d'injection d'air comprimé. Ce procédé ne produit des colonnes profondes que dans les sols mous. De plus, si on utilise une sonde classique, elle doit être entièrement extraite du trou avant d'y déverser la pierre, de sorte que le sol soit suffisamment cohésif pour que la cavité demeure ouverte. Cette dernière contrainte est éliminée par l'utilisation de nouvelles sondes permettant l'injection de la pierre par le fond. De plus, correctement utilisées, ces sondes permettent d'optimiser remplacement et refoulement pour construire des colonnes plus profondes qu'il ne serait possible autrement. Cette variante requiert un matériel beaucoup plus complexe, elle est plus lente à réaliser donc plus coûteuse que les précédentes. 3.4.9. Colonnes de béton La technique de vibro-refoulement peut également être utilisée pour construire, dans des sols lâches, des pieux de déplacement aussi appelés colonnes de béton " vibro-foncées " (" VCC "). Si les sols sont argileux, cette technique d'installation ne pourra les améliorer que marginalement. Par contre, s'ils sont constitués de sable ou de gravier, elle permettra une amélioration supérieure à toute autre méthode de fonçage de pieux de déplacement. 3.4.10. Résultats Comme pour le compactage dynamique, les caractéristiques géotechniques obtenues par vibroflottation varieront en fonction de la nature des sols et du programme de compactage utilisé. Le choix de la grille d'insertion, de la profondeur de traitement, du diamètre des colonnes et du matériau servant à leur construction sont autant d'éléments susceptibles d'influencer l'efficacité du traitement. Graviers et sables nets: La vibroflottation permet d'améliorer ces sols à des profondeurs pouvant excéder 30 mètres. Il est possible d'obtenir des portances admissibles pouvant atteindre 1000 kpa et des modules de déformation de 100 mpa. Il s'agit là de caractéristiques géotechniques évidemment très favorables. Par ailleurs, l'angle de friction interne du sol augmentera en moyenne de 5 à 8 degrés, lui conférant une résistance au cisaillement et une stabilité considérablement accrues. -Sables silteux: Dans leur cas, si la teneur en particules fines n'excède pas 30 %, la vibroflottation seule ne suffira pas et il faudra obligatoirement recourir à la construction de colonnes de pierre. L'utilisation judicieuse des techniques de vibro-remplacement ou de vibro-refoulement produira d'excellentes améliorations des caractéristiques géotechniques de ces sols en plus de les rigidifier. -Silts et sols argileux: Les caractéristiques géotechniques de silts ou de sols argileux ne peuvent être significativement améliorées par vibrations. Par contre, la construction de colonnes de pierre créera un sol composite capable de supporter des charges plus importantes que le sol originel. Les efforts verticaux sont repris par les colonnes et le sol mou environnant. La charge admissible sur une colonne ballastée dépend de la résistance du sol l'entourant, et sera généralement de l'ordre de 20 à 50 kn. D'une façon empirique, on estime que le tassement résultant de l'application de charges sur des sols ainsi traités sera de 30 à 50 % moindre que celui que l'on obtiendrait sans traitement. Les résultats du traitement dépendent d'un grand nombre de facteurs, les uns intrinsèques aux sols mêmes, tels leur nature et leur composition, les autres extrinsèques, dont le type et la puissance des vibrateurs utilisés, les variables du programme de compactage et le contrôle continu de la densification. L'analyse de ces facteurs et le choix des moyens requis pour optimiser les résultats du traitement, il importe de le souligner, ne relèvent pas de la science, mais plutôt de l'art et donc de l'expérience du spécialiste. 3.5. Injection Certaines situations particulières appellent un renforcement par remplissage des vides naturels (notarmirent vides interstitiels) ou créés artificiellement on a alors recours aux injections dont le rôle est, soit d étancher, soit d améliorer les caractéristiques initiales d un massif de sol ou de roche. Le domaine de l injection est extrêmement vaste, aussi ne présente-t-on pratiquement ici que ce qui a trait au renforcement de massifs de sols grenus supportant des ouvrages, renvoyant ainsi aux ouvrages spécialisés en matière de tunnels et de barrages pour ce qui est des autres applications. 37

L introduction de nouvelles techniques, appelées jet grouting a élargi encore les domaines où l injection peut être appliquée. 3.5.1. Principe L amélioration des propriétés d un sol à la suite de l injection d une substance chimi que dépend essentiellement de la façon dont ce produit se met en place dans le massif. On distingue, à cet égard, trois modes d injection : - l injection par imprégnation des vides existants par un coulis fluide. Le coulis pénètre ainsi dans des fissures ou dans des vides interparticulaires - l injection par claquage du massif et remplissage par un coulis fluide : c est l injection sous pression qui provoque elle-mène l ouverture des fissures dans lesquelles se placera le coulis - l injection par serrage de coulis épais, qui ne circule pas, mais se place dans les cavités résultant du refoulement de matériau que provoque cette injection. On traite ici essentiellement du renforcement résultant d injection par imprègnation. Les facteurs pris en compte dans la mise au point d un traitement par injection tiennent essentiellement au sol à traiter et aux paramètres de l injection. - Au titre du sol à traiter, sont prendre en considération les vides existants (nature, dimension, continuité, etc.). - Au titre des paramètres de l injection figurent la nature du coulis (taille des grains des suspensions, viscosité, stabilité), le débit et la pression d injection. - Les matériels d injection utilisés (types de cannes d injection, types de pompes, etc.). 3.5.2. Domaines d application Une grande variété de sols granulaires peut être traitée par imprégnation la nature du coulis à utiliser dépend de la porosité du sol, laquelle peut être appréhendée par le coefficient de perméabilité du sol. L AFTES a proposé le tableau de correspondance ci-dessous (tableau 6), lequel indique les types de coulis utilisables en fonction du coefficient de perméabilité initial du terrain. En ce qui concerne l importante classe des sables, on possède les précisions suivantes : Tableau 6 choix des coulis d injection 3.5.3. Mise en oeuvre La mise en oeuvre des injections se réalise à partir d installations spécifiques comportant - la centrale de préparation des coulis d injection, où sont réalisés le stockage des matériaux primaires, leur dosage et leur fabrication - les pompes d injection, de types très divers et dont le choix dépend de la nature du coulis, de la quantité de produit à injecter et des pressions appliquées - les tubes d injection, dont le degré de perfectionnement dépend de la nature et de la précision du traitement, ainsi que du nombre de phases d injections envisagées cela va du tube à obturateur au tube à manchette. 38

Chaque cas d injection constitue un cas spécifique en fonction duquel sont choisis les paramètres de t-aitement et les matériels les mieux adaptés. Contrôle Le contrôle de l injection doit permettre de vérifier si les objectifs de traitement visés ont bien été remplis (étanchement, renforcement, etc.). Le contrôle s effectue, en fait, en deux temps : - en cours de traitement, suivi de toutes les données du chantier : caractéristiques des forages d injection, analyse des produits d injection, paramètres de l injection, etc. Le nivellement régulier du site peut également être un indicateur de l effet de l injection - après traitement, évaluation de l amélioration des propriétés géotechniques du massif. Cet effet se juge sur : - des essais en place, au niveau des paramètres de forage enregistrés avant et après injection et au niveau des caractéristiques mesurées au pénétromètre ou au pressiomètre. Les essais d eau renseignent sur l évolution de la perméabilité résultant de l injection - des essais en laboratoire sur carottes prélevées en forage - éventuellement par examen de fouilles terrassées à la suite de l exécution de plots d essais, par exemple. L établissement des fuseaux granulométriques d un sol apte à un traitement donné est fait à partir des deux approches suivantes 4. Choix d une méthode de traitement Lors de l étude de faisabilité d un projet, le recours aux méthodes de traitement des sols implique la connaissance de leurs performances et limites respectives. Une question se pose alors : comment représenter de manière facilement utilisable les domaines d application de chaque procédé. On a choisi de représenter l aptitude d une méthode à traiter un sol selon la granulométrie de ce dernier. Elle présente l avantage de ne faire appel qu à des critères d identification obtenus par des mesures simples de laboratoire. GRAVIER SABLE LIMON ARGILE VIBROFLOTATION EXPLOSIF PARTICULATE GROUT INJECTION CHIMIQUE INJECTION PAR FRACTURATION DRAINS VERTICAUX ET/OU PRECHARGEMENT CONSOLIDATION DYNAMIQUE ELECTRO-OSMOSE RENFORCEMENT = COLONNES BALLASTES, SOIL-MIXING, CLOUAGE, SUBSTITUTION TRAITEMENT THERMIQUE COMPACTAGE HYDRAULIQUE 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 DIMENSION MOYENNE DES GRAINS (mm) Figure 4-1. répartition des méthodes de traitement en fonction de la granulométrie Il est cependant clair que les autres facteurs d identification (notamment la densité relative pour les sols grenus et les limites d Atterberg pour les sols fins) et les paramètres mécaniques des sols sont à prendre en compte dans la définition précise du traitement de chaque cas concret. On peut compléter par : - analyse des domaines déjà existants dans la bibliographie. Quelques auteurs ont présenté des tableaux ou des courbes granulométriques bornant les domaines dans lesquels les méthodes précitées sont utilisables; - analyse de nombreux articles et dossiers d étude concernant des chantiers de traitement de sols. Toutefois, deux points doivent être considérés dans l examen des domaines d utilisation proposés: - les fuseaux granulométriques n excluent pas de réaliser une étude de sol complète dans la mesure où la composition granulométrique d un sol n est pas le seul critère à prendre en considération pour l application de certaines méthodes (influence des matières organiques, de la structure, etc.) - pour les méthodes en plein développement, les domaines d application suivent l évolution des techniques et des mises en oeuvre. Les frontières de ces domaines ne sont donc pas figées. 39

Les diagrammes ci-dessous illustrent la plage d'utilisation optimale des procédés présentés dans ce document en fonction de la profondeur du sol, de la nature de ses caractéristiques géologiques et du type de structure à supporter Figure 4-2. SC Colonnes Ballastées DR Plots Ballastés CMC Colonnes à Module Contrôlé, VC - Vibro Compactage, DC - Compactage Dynamique, MV - Menard Vacuum, HDC - Compactage à Haute Energie, JG - Jet Grouting, VD - Drains verticaux Les limites respectives des méthodes correspondent aux D 50 des courbes granulométriques qui bornent les fuseaux. Certains cas particuliers sont à signaler une colonne propre aux sols très organiques (teneur en matière organique > 30 %) est donnée, indépendamment de la taille des grains. En effet, la présence de ces matières organiques a un rôle prépondérant et souvent néfaste sur de nombreuses méthodes d amélioration. Les méthodes de congélation et de substitution, qui peuvent couvrir tout le domaine des sols n ont pas été représentées selon des fuseaux granulométriques mais elles figurent cependant sur ce tableau. Les zones sombres représentent le domaine d application recommandé de chacune des méthodes. Les zones claires représentent les extensions possibles, dont on pourra retrouver la signification détaillée dans les figures du chapitre précédent. 5. Conclusion Les méthodes de traitement des sols de fondations et d adaptation des projets présentées dans ce document permettront aux lecteurs de mieux comprendre les choix préconisés pour résoudre les problèmes de construction en sites difficiles. Des limites d application ont été proposées pour chaque méthode. Toutefois, l évolution permanente des technologies peut repousser certaines de ces limites. L attention est attirée sur la nécessité d effectuer des contrôles sur les procédés d amélioration cités. Ces contrôles permettent à l entrepreneur d adapter la méthode de traitement à la nature et à l état du sol, et au maître d œuvre de juger du résultat. Le lecteur désirant approfondir les méthodes de dimensionnement, les procédés de réalisation et les cas concrets de traitement pourront se reporter aux articles de fond cités en références bibliographiques. 6. Bibliographie Barnoud F., Gambin M. (1995) Compactage de remblais rocheux immergés, conception, exécution, contrôle, Journée Louis Ménard, La densification des sols, CFMS, Biarez J., Fournier J., Rudelle M. (19xx) Propriétés mécaniques des argiles après un choc, 9th ICSMGE, 2 :183-186 Bourdon G. (1979) La consolidation dynamique et le problème de l évacuation de l eau, Sol-Soils, 30/31Bouazza A. Gambin M. (1997) Efficacité du compactage dynamique des déchets municipaux : quels outils de contrôle? 3rd Int. Conf. On Ground Improvement Geosystems, Densification and reinforcement, 1-5 Cognon J.M. (1980) Compactage en masse, Int. Conf. on Compaction, 15-21 Debats J.-M., Frank R., Gambin M., Savasta P. (1998) The ménard pressurementer for quality control of soil densification, ISC 98, 40

Debats J.-M., Savasta P., Gambin M., (1998) Vibrosubstitution et préchargement statique : comparaison et importance des methods de contrôle par essais in situ, 12th ICSMGE, Amsterdam, Gambin M. (1979) Ménard Dynamic Consolidation, Sols Soils, N 29, 27-43 Gambin M. Capelle J.F. Dumas J.C. (1979) La consolidation dynamique : une technique permettant de diminuer les risques de liquéfaction de sols fins saturés en cas de tremblement de terre, 3rd Can. ConfK ; on Earthquake Eng., 117-146 Gambin M. (1981) L utilisation de la consolidation dynamique pour la réalisation du nouveau port de pêche de Sfax en Tunisie, Navires, Ports et Chantiers, 3-8 Gambin M. (1982) Menard dynamic consolidation, new method for improving foundation beds off-shore, Int Symp, Brugge, 3:91-95 Gambin M. (1982) La consolidation dynamique Ménard, PCM, Numéro spécial Fondations N 4, 42-45 Gambin M. (1982) Consolidation dynamique et construction en zones de décharge, RFG 14b:97-101 Gambin M. (1982) La consolidation dynamique Ménard, l ingénieur constructeur, 3-8 Gambin M. Bolle G. (1983) Sea bed soil improvement for Lagos dry dock, 8 th ECSMGE, Helsinki, 837-840 Gambin M. (1984) Ten years of dynamic consolidation, 8 th African RCSMGE, Harare Zimbabwe, 363-370 Gambin M. (1984) Stone pillar at La Seyne sur Mer Int. Symp. On Soil Reinforcement, Paris, 139-144 Gambin M. (1985) Dix ans de consolidation dynamique, annales de l ITBTP, N 433 (193) :11-35 Gambin M. (1985) Consolidation dynamique des fondations du barrage de Pénitas, Mexique, RFG 59-67 Gambin M. Guet P.A. (1987) Influence de la consolidation dynamique sur les ouvrages voisins, Coll. Interaction Sols Structures, Presses des Ponts PFE, 55-67 Gambin M. (1987) Deep soil improvement, Ground engineer s reference book, Bell F.G. Ed., Butterworths,36/3-21 Gambin M. (1987) Dynamic consolidation of volcanic ash in Sumatra, 9 th Asian RCSMGE, Bangkok Thailand, 8/145-158 Gambin M. (1992)Reducing liquefaction potential by deep soil improvement, Dynamic behaviour of soils, Recent advances in earthquake engineering and structural dynamics, Ouest Editions, Presses académiques, 225-248 Gambin M. (1995) Le pressiomètre Ménard, un excellent outil de contrôle de l amélioration des sols, Journée Louis Ménard, La densification des sols, CFMS, Gambin M. (1998) Le compactage profond des sables, idées de base, Ground improvement 2 :33-48 Holeyman A. (1986) Chantier de Gros Cacouna, Colloque Bruxelles, VIII :18-30 Liausu P., Varaksin S. (1987) Traitement de sables affaissables par compactage dynamique, Chantier de France, 202:81-82 Ménard L. (1972) A low cost method of consolidation fills dumped into the sea, Sols Soils, N 24, Ménard L. (1974) Un procédé de consolidation, le pilonnage intensif, Annales de l IBTP Ménard L. (1974) Fondation d une cale de radoub à Brest, 6eme congrès portuaire International Anvers Ménard L., Broise Y. (1975) Theoretical and practical aspect of dynamic consolidation, Géotechnique, vol XXV, 1 Pearce R.W. (1977) Deep soil compaction by heavy surface tamping, Imperial college, University of London, 252 pages Sechet B. (1981) Consolidation dynamique avec drains verticaux, Travaux, N 553 Varaskin S., Garnier G. (19xx) Nouvelles techniques d amélioration de sol, 13 pages 41