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Amélioration des sols

Les techniques d’amélioration des sols consistent à modifier les caractéristiques d’un sol par une action physique (vibrations par exemple) ou par l’inclusion dans le sol ou le mélange au sol d’un matériau plus résistant, dans le but de :

• augmenter la capacité portante et/ou la résistance au cisaillement,
• diminuer les tassements, tant absolus que différentiels, et le cas échéant les accélérer,
• diminuer ou éliminer le risque de liquéfaction en cas de tremblement de terre ou de vibrations importantes.

Amélioration des sols sans inclusions

DOMAINES DE L’AMÉLIORATION

Les traitements de sol qui consistent à améliorer le sol sans apports d’inclusions ont pour objectif de diminuer l’indice des vides pour augmenter les caractéristiques mécaniques et diminuer les déplacements sous les surcharges apportées par les ouvrages. On étudiera le compactage qui s’applique plutôt aux sols grenus et la consolidation aux sols fins.

Amélioration par compactage

Les principales techniques sont:

• le compactage statique,
• le compactage dynamique,
• la vibroflottation.

Le compactage statique horizontal par injection solide

Principe du compactage statique horizontal par injection solide. (Figure 1)

Le compactage statique horizontal par injection solide consiste à introduire à l’aide d’une pompe à haute pression un mortier très visqueux afin d’améliorer en profondeur un sol lâche.(Fig.1)

L’amélioration est la somme de 2 termes, la densification entre les points de traitement, variable selon la nature du sol et l’effet de renforcement, qui souvent n’est pas pris en compte, par inclusions d’un matériau de meilleures caractéristiques mécaniques que le sol en place.

Principe d’exécution

A partir de tubes forés dans le terrain (environ 0,10 mètres de diamètre) on introduit un mortier sec sous une pression élevée tout en relevant le tube. On obtient généralement un chapelet de « boules » de mortier d’un diamètre moyen compris entre 0 ,60 et 1 mètre.

Sols compactables

Il est nécessaire que les sols soient assez lâches, on peut donner les limites suivantes, par rapport à l’essai pressiométrique et l’essai au pénétromètre statique, pour que le procédé soit efficace :

	Pression limite pressiométrique P1 MPa	Module pressiomètrique EM MPa	Résistance de pointe mesurée au pénétromètre statique MPa
Sable	<1,2	<12	<12
Limon	<0,6	<6	<4
Sol argileux	<0.3	<3	<1

Domaines d’application

Les principaux domaines visés sont.

• Les reprises en sous-oeuvre : semelles, pieux.
• Les réductions des tassements.
• Les réductions du potentiel de liquéfaction.

Figure 3

La figure 3 montre le traitement de consolidation sous les fondations existantes qui consistait à augmenter les caractéristiques mécaniques de limons médiocres, d’épaisseur variable pour limiter les tassements absolus et différentiels.

Le compactage dynamique

Le compactage dynamique permet de densifier le sol sous les impacts d’un masse de 15 à 150 tonnes tombant de 20 à 40 mètres. La profondeur traitée dépend de la puissance du matériel, pour du matériel traditionnel elle de l’ordre de 6 mètres. Il est réalisé en plusieurs phases successives jusqu’à l’obtention de la densité et de l’amélioration des caractéristiques mécaniques des sols fixées.

Ce procédé est utilisé, de préférence dans les sols sablo-graveleux, pour fonder des bâtiments ou des ouvrages ou pour stabiliser des remblais ou des sols lâches.

La vibroflottation

Cette technique s’applique aux sols grenus dans un état lâche à assez peu compact, au dessus et au-dessous de la nappe. La vibroflottation consiste à générer, à l’aide d’un vibreur, des vibrations horizontales dans les sols grenus afin de les cisailler et de provoquer une liquéfaction et un tassement immédiat.

Le principe d’exécution

Le principe d’exécution comporte les étapes suivantes :

• Le vibreur, avec l’aide de l’eau de lançage est foncé jusqu’à la profondeur voulue ;
• La zone de compactage est un cylindre de sol, d’un diamètre pouvant atteindre plusieurs mètres( 2à 4) ;
• Le cône provoqué par la vibration par la vibration est rempli par un matériau d’apport de sable oude gravier ;
• La finition consiste à régler la plate–forme.

Amélioration par consolidation

La consolidation concerne les sols fins. Sous une surcharge, l’indice des vides va diminuer, entraînant un tassement et un déplacement des sols limoneux et surtout argileux. C’est un domaine d’application important pour les tracés linéaires, les pistes d'aérodromes, les zones industrielles, les réservoirs (fuel, GPL ) Les problèmes liés à la construction des ouvrages sont la stabilité à la construction et l’estimation des tassements et leur durée, mais aussi ceux liés à l’interaction avec l’environnement géotechnique. Ce sont principalement :

• les jonctions entre le remblai et les ouvrages d'art (routes, voies ferrées),
• les nouveaux remblais par rapport aux anciens ;
• les interactions avec les pieux existants : frottement négatif et déplacements latéraux
• l’effet barrage vis à vis des écoulements hydrauliques.

Amélioration des sols avec inclusions

Les renforcements de sol traités dans ce chapitre concernent l’amélioration des sols avec inclusions. On étudie successivement, sans que ce soit exhaustif, les colonnes ballastées, les tirants d’ancrage et le « jet grouting ».

Les colonnes ballastées

Méthode d’exécution

Elle comprend une première phase de forage suivie d’une seconde phase de constitution et de compactage de la colonne. La formation de la colonne est effectuée à la remontée du tube en compactant des agrégats calcaires ou silico-calcaires 15/30 à 20/40 ou plus. Les techniques par voie sèche, par vibro-refoulement, sont plus utilisées en France que les techniques par voie humide, par vibro-substitution . Par voie sèche la profondeur du traitement est limitée à 15 mètres. Une couche de forme de 0,50m à 1m mise en place au-dessus des colonnes assure le transfert des charges superficielles vers les colonnes.

Domaines d’application

Le procédé s’applique aux sols fins de faible cohésion : vases , argiles, limons, mais on verra qu’ il faut que le terrain ait quand même une certaine résistance ; et la technique ne convient pas pour des épaisseurs importantes de tourbes ou d’ argiles trop compressibles, dans ce cas il est nécessaire de rigidifier les colonnes en les injectant. Les objectifs sont d’améliorer la portance du sol, de limiter les tassements, sans les annuler complètement, d’accélérer la consolidation, voir d’assurer la stabilité de versants. Les colonnes ballastées sont utilisées pour améliorer les plate formes des fondations superficielles, en particulier pour des entrepôts industriels, des soutènements en remblai, des stations d’épuration, pour rendre le sol non liquéfiable.

Mécanisme de renforcement

Comportement d’une colonne isolée

La stabilité de la colonne composée de matériaux granulaires étant sans cohésion sa stabilité est assurée par l’effet triaxial du terrain encaissant. De plus la colonne peut se rompre par écrasement et par défaut de capacité portante. La colonne étant plus rigide que le sol encaissant le report des charges est plus important sur les colonnes, d’où une augmentation de la portance du sol renforcé et une réduction du tassement.

Paramètres du projet

Les paramètres du projet sont le diamètre de la colonne, le maillage, l’angle de frottement ϕ’ de la colonne, la résistance du sol encaissant, le rapport entre la contrainte dans la colonne et le sol et la compatibilité entre les déformations de la colonne et du sol. Le diamètre de la colonne varie suivant le matériel et le consistance du sol de 0,50m à 1m, avec des valeurs de projet souvent prises de 0,70 à 0,80m. Le maillage est fonction des charges maximales apportées par le dallage, les semelles filantes, les appuis isolés.

Calculs du tassement d’un sol renforcé par des colonnes ballastées

Le calcul des tassements peut se faire suivant plusieurs méthodes, la méthode souvent utilisée en France est la méthode de Priebe. Dans le cas d’un maillage infini, on définit, avec les notations de Priebe, un facteur d’amélioration n qui est fonction de ϕ’col , du rapport entre la surface de la maille et la section de la colonne F/Fs et du rapport entre les modules d’élasticité de la colonne et du sol Es /EB. Le tassement du sol renforcé est alors égal au rapport du tassement du sol vierge par n, affecté d’un coefficient correcteur de profondeur. Une méthode plus moderne de calcul des tassements est l’utilisation de la méthode des éléments finis en axisymétrique (2D) qui permet de faire un couplage hydromécanique en tenant compte de la consolidation radiale apportée par les colonnes. Pour les cas de semelles filantes et carrées Priebe a proposé des abaques permettant de passer de la valeur du tassement dans le cas du maillage infini aux tassements sous des semelles filantes ou carrées.

Colonnes injectées par jet sous haute pression (jet grouting)

Principe et mise en oeuvre des colonnes de « jet grouting »

Le jet grouting consiste à exécuter in situ des colonnes de béton de sol par un procédé hydrodynamique qui combine :

• la déstructuration du terrain par un jet à très grande vitesse ;
• l’extraction d’une partie du terrain jusqu’à la surface par les fluides du jet ;
• l’incorporation au reste du terrain déstructuré d’un coulis sous pression.

La mise en oeuvre comprend les 2 phases suivantes :

• forage en petit diamètre (100 à 200mm) sur la hauteur du sol à traiter ;
• remontée du train de tiges avec mise en rotation totale (colonnes) ou avec une petite rotation (panneau), en déstructurant le terrain par un jet à haute pression et en incorporant un coulis de ciment ; les volumes en excès de sol et de coulis (spoil) doivent ressortir librement à la surface du sol.