Différentes techniques de renforcement des sols

Différentes techniques de renforcement des sols

La pénurie actuelle de terrains constructibles de bonne qualité oblige à réaliser des ouvrages sur des sols de moins en moins favorables. Ce constat a amené les industriels à développer des techniques permettant d’améliorer les performances du sol  initialement en place, de façon à assurer à ces ouvrages la même durée de vie que s’ils étaient construits sur des terrains de bonne qualité.

Dans le cas qui va nous préoccuper tout au long de ce manuscrit, celui de sols constitués d’argile molle, il existe de nombreuses raisons pour lesquelles un renforcement est nécessaire. En effet, ces sols fins mous et compressibles possèdent plusieurs caractéristiques qui peuvent s’avérer gênantes pour le bon fonctionnement de l’ouvrage :

• ils subissent des déformations importantes sous les charges qui leur sont appliquées, leur module d’Young étant rarement supérieur à une centaine de MPa ;

• ils sont fortement sensibles au risque de liquéfaction lors d’une sollicitation sismique ;

• leur résistance est souvent trop faible pour supporter les charges prévues dans les projets, leur cohésion se limitant à quelques dizaines de kPa.

C’est la raison pour laquelle des techniques de renforcement de sols se sont développées au cours des dernières décennies pour pallier ces différents problèmes. Les méthodes de traitement associées sont diverses et les habitudes de construction varient suivant les pays concernés. Dans la suite de ce manuscrit, nous nous intéresserons plus particulièrement à deux techniques d’amélioration des sols : le renforcement par colonnes ballastées et le traitement des sols en place.

Renforcement par colonnes ballastées

La technique de renforcement par colonnes ballastées (stone column en anglais) consiste à remplacer une partie du sol en place par un matériau grenu, doté d’un fort angle de frottement interne et d’une cohésion négligeable [Balaam et Booker, 1981, Soyez, 1985, Dhouib et Blondeau, 2005, Magnan et Pilot, 2012]. La mise en place de ce matériau se fait en deux étapes principales .

En premier lieu, un corps cylindrique (de plusieurs dizaines de centimètres de diamètre) est introduit dans le sol. La pénétration de cette aiguille vibrante est assurée à la fois par l’effet de son poids propre et par un lançage, réalisé à l’eau ou à l’air. La profondeur de forage peut atteindre une trentaine de mètres au maximum.

La seconde étape consiste à remplir cette cavité créée avec un matériau d’apport. Celui-ci est amené directement en fond de forage par l’outil servant à creuser. En remontant au fur et à mesure, l’aiguille permet de vibrocompacter ce matériau granulaire (graviers ou ballast). Le diamètre final de la colonne varie suivant le type de sol qui l’entoure, en général dans un intervalle compris entre 60cm et 1m.

On répète alors cette opération de façon à obtenir des colonnes réparties périodiquement sur toute la zone à traiter. L’espacement entre les colonnes varie entre 1m et 6m, suivant les performances souhaitées. Cela représente une fraction volumique de renforcement comprise entre 10% et 40%. Le module d’Young du matériau de renforcement ne dépasse pas quelques centaines de MPa. On qualifie les colonnes ballastées d’inclusions “souples”, par opposition à des inclusions “rigides” en béton ou en métal.

Renforcement par colonnes traitées en place

Une autre méthode de renforcement consiste à malaxer mécaniquement le sol en place (technique de soil mixing) avec un matériau d’apport, appelé liant. Ce liant peut être aussi bien de la chaux, du ciment ou un mélange de ces deux composants. Lorsque cette opération est réalisée sous forme de cylindres à base circulaire, on parle de colonnes traitées en place (lime column ou lime-cement column) [Broms, 1982, Cartier et al., 1986, Broms, 2000]. De la même façon que pour les colonnes ballastées, la technique consiste à déstructurer le sol en place dans une phase de descente de l’outil, et à le mélanger avec le liant lors de la phase de remontée.

L’ajout d’un liant hydraulique permet d’obtenir une colonne de renforcement dont les performances de résistance sont accrues. Les zones traitées ont alors une cohésion plus importante que celle du sol en place (jusqu’à 20 fois) et, suivant la composition du liant, un angle de frottement interne soit faible, soit non négligeable (jusqu’à une trentaine de degrés) [Okyay et Dias, 2010]. Le module d’Young de ces colonnes traitées varie entre une dizaine de MPa et quelques GPa. On les qualifie également d’inclusions “souples”.

Classiquement, les diamètres de ces colonnes, réparties généralement de façon périodique, sont de l’ordre de 50cm. Avec une répartition tous les 1 à 5m, cela représente une proportion volumique de renforcement comprise entre 5% et 20%. La profondeur de traitement peut atteindre la trentaine de mètres avec les machines usuelles.

Une technique légèrement différente, appelée jet grouting, consiste à effectuer le malaxage sous forme de jets de liant sous pression. Cette dernière permet d’obtenir des colonnes d’environ 1.75m de diamètre sur une profondeur pouvant atteindre 70m.

Une nouvelle technique en développement : le Trenchmix

Une technique émergente depuis une dizaine d’années, appelée Trenchmix, consiste à utiliser le principe de soil mixing, mais en effectuant des renforcements sous forme de tranchées [Corneille et Ré, 2008]. Ces tranchées peuvent être toutes parallèles à un même plan vertical (tranchées simples) ou réparties suivant deux plans verticaux orthogonaux (tranchées croisées) [Jeanty et al., 2013].

Les liants malaxés avec le sol en place sont les mêmes que pour les colonnes traitées en place. Il s’agit donc, soit de chaux, soit de ciment, soit d’un mélange chaux/ciment. Cette nouvelle technique de renforcement est donc parfois qualifiée de renforcement par inclusions “souples” ou “semi-rigides”, selon le type de liant retenu.

Une première méthode de construction consiste à utiliser une haveuse. Cette machine, constituée de deux outils cylindriques d’une largeur d’environ 50cm, permet de creuser des trous de section rectangulaire pendant une descente verticale. Elle malaxe ensuite le sol avec le liant lors de sa remontée. En effectuant les trous de façon contigüe , on parvient à constuire des tranchées, d’une épaisseur de 50cm sur quelques dizaines de mètres en profondeur.

La seconde technique pour construire ces tranchées est d’utiliser une machine appelée trancheuse, qui une fois enfoncée dans le sol, permet de le traiter tout en déplaçant la machine horizontalement . Ainsi, on peut effectuer la construction d’une tranchée de plusieurs mètres de longueur sans avoir à ressortir la trancheuse. L’outil en lui-même est constitué d’une chaîne qui malaxe le sol en tournant et d’une buse d’injection permettant d’ajouter du liant au fur et à mesure de l’avancée de la machine. L’épaisseur des tranchées creusées est comprise entre 30cm et 50cm et leur profondeur est limitée à une dizaine de mètres.

Lorsqu’on réalise des tranchées croisées, pour les deux techniques de mise en œuvre, on espace les séries de tranchées d’une distance comprise entre 4m et 6m. Cela représente donc, suivant l’épaisseur de chaque tranchée, une fraction volumique de renforcement comprise entre 5% et 20%.

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Table des matières

Introduction
1 Revue bibliographique et justification de la méthode retenue
1.1 Différentes techniques de renforcement des sols
1.1.1 Renforcement par colonnes ballastées
1.1.2 Renforcement par colonnes traitées en place
1.1.3 Une nouvelle technique en développement : le Trenchmix
1.1.4 Synthèse des techniques de renforcement de sol étudiées
1.2 Les méthodes de dimensionnement usuelles
1.2.1 Dimensionnement vis-à-vis du tassement
1.2.2 Dimensionnement à la rupture des ouvrages
1.2.3 Limites des méthodes classiques de dimensionnement à la rupture
1.3 Caractérisation mécanique des sols renforcés : une approche par homogénéisation
1.3.1 Évaluation du tassement des sols renforcés
1.3.2 Détermination du comportement à la rupture des sols renforcés
1.4 Plan du manuscrit
1.4.1 Comportement élastique des sols renforcés
1.4.2 Calcul à la rupture des sols renforcés de type cohérent/cohérent
1.4.3 Approche numérique du calcul à la rupture des sols renforcés Comportement élastique des sols renforcés
2 Caractérisation du comportement élastique macroscopique des sols renforcés
2.1 Principe de la méthode d’homogénéisation périodique
2.1.1 Du problème initial au problème homogène associé
2.1.2 Comportement élastique macroscopique : résolution du problème auxiliaire
2.1.3 Un modèle simplifié de sol renforcé : le matériau multicouche
2.2 Évaluation de caractéristiques élastiques par des approches variationnelles
2.2.1 Principes de minimum énergétiques
2.2.2 Encadrement du module de cisaillement longitudinal des sols renforcés par colonnes ou tranchées croisées
2.3 Détermination de caractéristiques élastiques par des méthodes numériques
2.3.1 Mise en œuvre des calculs par éléments finis
2.3.2 Comparaisons avec les résultats analytiques
2.4 Efficacité comparée des différentes techniques de renforcement des sols
2.4.1 Comparaison des modules d’Young
2.4.2 Comparaison des modules de cisaillement
3 Applications de la méthode d’homogénéisation à l’analyse de la réponse élastique d’un ouvrage en sol renforcé
3.1 Réduction du risque de liquéfaction des sols renforcés
3.1.1 Localisation des déformations de cisaillement
3.1.2 Évaluation du facteur de réduction du risque de liquéfaction
3.1.3 Analyse des résultats et commentaires
3.2 Tassement vertical, déplacement latéral et inclinaison de renversement d’une semelle sur une fondation en sol renforcé
3.2.1 Matrice de raideur structurelle
3.2.2 Calculs numériques à deux échelles
3.2.3 Comparaison des différents types de renforcement
3.2.4 Conclusions sur la démarche adoptée Calcul à la rupture des sols renforcés de type cohérent/cohérent
4 Critère de résistance macroscopique d’un sol cohérent renforcé par un matériau purement cohérent
4.1 Domaine de résistance macroscopique d’un milieu hétérogène périodique
4.1.1 Critères de résistance locaux
4.1.2 Problème auxiliaire de calcul à la rupture
4.1.3 Définition cinématique du domaine de résistance macroscopique
4.2 Approches statique et cinématique du calcul à la rupture pour le problème auxiliaire
4.2.1 Principe de l’approche statique par l’intérieur
4.2.2 Principe de l’approche cinématique par l’extérieur
4.3 Le cas du matériau multicouche
4.3.1 Définition du problème auxiliaire
4.3.2 Critère de résistance macroscopique et cohésion anisotrope
4.4 Critère de résistance macroscopique d’un sol renforcé par colonnes
Conclusion

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