11 – Technique d’amélioration des sols

1. Technique d’amélioration des sols

1.1 Principes de base d’amélioration des sols en place

Presque tous les ouvrages de génie civil, barrages, routes, bâtiments, ouvrages d’art, etc. reposent sur le sol ou utilisent le sol comme matériau de construction.  pour une construction projetée, l’idéal serait de trouver un site où les sols en place ont des propriétés acceptables répondant aux exigences du projet.

Avec l’augmentation de la population et l’augmentation des infrastructures diverses l’accessibilité des bons terrains diminue ce qui oblige le recours à la construction sur des terrains possédant des caractéristiques géotechniques médiocres.  Pour construire sur des sols médiocres, des entrepreneurs spécialisés ont développé des nouvelles techniques d’amélioration des sols en place (compactage dynamique, terre armée, injection, drainage, etc..).  De plus, en milieu urbain, il devient de plus en plus nécessaire à réaliser des excavations prés des structures existantes ou des tunnels dans des terrains difficiles, ce qui nécessite l’amélioration des sols en place avant de tels travaux d’excavation.

Les concepts de base de l’amélioration des sols, notamment, le drainage, la densification, la cimentation, le renforcement, le séchage et le traitement thermique sont développés depuis des centaines ou des milliers d’années et ils restent valables
(Tavenas, 1979). L’introduction de machine au 19ième siècle a résulté avec l’augmentation de la quantité et de la qualité des travaux.  Les développements les plus significatifs, depuis les années 1930, sont l’introduction des méthodes vibratoires pour la densification des sols granulaires, les nouvelles techniques et matériaux d’injection et le concept de renforcement des sols, Mitchell (1981).

Pour construire sur des sites défavorables, on dispose des alternatives suivantes :

1)    Enlèvement des mauvais sols par excavation;

2)    Amélioration des propriétés mécaniques des sols en place pour les rendre compatibles avec les exigences du projet ;

3)    Révision du concept du projet. –  Un ouvrage conçu avec des semelles superficielles peut être réétudié en tant qu’ouvrage avec des fondations flottantes et être ainsi construit sur un sol très compressible ;

4)    Mise hors compte d’un mauvais sol. – On peut employer des pieux pour transférer la charge d’une structure à travers un sol mou jusqu’à une couche portante inférieure.

5)    Compactage, notamment le compactage dynamique  et vibro-compaction ;

6)    Consolidation par pré-chargement avec ou sans drainage vertical, électro-osmose et explosion;

7)    Injection, Jet-Grouting;

8)    Drainages;

9)    Stabilisation par congélation;

10) Renforcement des sols par armature (terre armée, terre coulée, etc..).

1.2 But de l’amélioration des sols en place

On peut tenter d’améliorer un sol en place, entre autre, pour les raisons suivantes :

1)    Augmenter sa résistance en place, pour augmenter sa capacité portante;

2)    Améliorer la stabilité d’un talus existant ;

3)    Assurer la stabilité temporaire des travaux d’excavation sans recours aux systèmes d’étançonnement conventionnels ;

4)    Arrêter le mouvement d’une pente instable pour permettre des travaux de confortement permanent ;

5)    Augmenter la résistance latérale des sols offerte aux pieux installés;

6)    Diminuer la compressibilité des sols en place ;

7)    Diminuer la perméabilité des sols ;

8)    Permettre le percement d’un tunnel dans un terrain difficile ;;

9)    Accélérer la consolidation d’un dépôt d’argile ;

10) Contrôler les infiltrations d’eau autour d’un ouvrage ;

11) Réduire les risques de liquéfactions des dépôts granulaires lâches ;

12) Diminuer le potentiel de déformation volumique des sols ;

13) Homogénéiser les sols pour réduire le risque de tassement différentiel ;

14) Réduire la gélivité ;

15) Effectuer des travaux de reprise en sous-œuvre ;

16) Stabiliser un remblai nouvellement mis en place.

 

1.3 Sols pulvérulents

Les dépôts épais des sols granulaires lâches peuvent exiger une amélioration de leurs propriétés pour éliminer les effets des tassements totaux et différentiels excessifs sous les charges de la future construction et aussi pour minimiser la possibilité de la liquéfaction sous les sollicitations dynamiques.  L’amélioration souhaitée peut souvent s’obtenir par densification ; cependant le compactage conventionnel ne peut permettre atteindre la densification souhaitée en profondeur.  Le compactage in-situ des sols lâches granulaires peut se faire par les méthodes dynamiques.  Dans le cas des plusieurs méthodes dynamiques le chargement est accompagné par déplacement des sols suite à l’insertion d’une sonde ou par la construction d’une colonne de sable ou de gravier sur-place.

Les méthodes utilisées pour la densification profonde des sols granulaires comprennent : l’explosion, la vibrocompaction et le compactage dynamique.

La vibrocompaction comprend, l’ensemble de techniques impliquant l’insertion d’une sonde vibrateur dans le sol avec ou sans l’ajout du remblai. Le compactage par pieux (compaction pile) est considéré parmi ces techniques.  Le choix de chaque technique est fonction des facteurs suivants :

1)    Type de sol, notamment sa granulométrie et son pourcentage de fraction fine ;

2)    Degré de saturation et la profondeur de la nappe phréatique ;

3)    Densité relative initiale ;

4)    Contraintes initiales in-situ ;

5)    Structure initiale du sol, y compris l’effet de vieillissement, la cimentation et la fissuration etc. ;

6)    Profondeur d’amélioration souhaitée.

D’autres facteurs non techniques doivent être considérés :

7)    Caractéristiques spéciales et limites de chaque méthode utilisée ;

8)    Échéancier des travaux ;

9)    Conditions climatiques ;

10) Présence de structures existantes ;

11) Critères environnementaux ;

12) Coûts

1.4 Sols cohérents

Pour les sols cohérents leurs propriétés mécaniques et hydrauliques sont fonction de leur teneur en eau.  Cependant, les résultats des travaux de recherche sur le comportement des argiles montrent que la teneur en eau est loin d’être le seul paramètre, ni d’ailleurs le plus important.  On sait maintenant que la pression de préconsolidation des argiles et son état de structure sont deux paramètres importants régissant le comportement des argiles.

Lorsqu’on veut améliorer les propriétés mécaniques d’une argile, et en particulier sa résistance, on devra avant tout la soumettre à des contraintes effectives supérieures à la pression de préconsolidation naturelle.

Les argiles sont caractérisées par des perméabilités très faibles qui ralentissent la consolidation et la dissipation des processus interstitiels.  L’application des charges aux frontières d’un massif d’argile se traduit par le développement des pressions interstitielles.  La dissipation des pressions interstitielle est régie par le coefficient de perméabilité des argiles.  Ainsi donc, d’une part les méthodes dynamiques d’amélioration n’auront qu’une utilité négligeable, d’autre part les techniques d’amélioration par chargement et densification auront une efficacité variable en fonction de leur durée de mise en œuvre.  On peut cependant accélérer la consolidation des dépôts d’argile par la mise en place de systèmes de drains verticaux ou par électro-osmose.

Dans le cas des argiles sensibles, comme les argiles Champlain faiblement préconsolidée, le fait d’appliquer des contraintes effectives supérieures à la pression de préconsolidation se traduit par une déstructuration de la structure initiale de l’argile.  Dans cet état déstructuré, l’argile présente une compressibilité très importante.  L’amélioration en place par chargement d’une telle argile va évidemment poser des problèmes.  La résistance au cisaillement d’une argile déstructurée n’augmentera que lorsque la contrainte effective verticale aura subi une augmentation au-delà de la pression de préconsolidation, ce qui nécessite des tassements importants de l’ordre de 15 à 20 %.  Un tel tassement exige le drainage de grandes quantités d’eau et donc une durée de consolidation importante.  De ce fait, il sera généralement nécessaire d’avoir recours à un système de drains pour accélérer le traitement, à moins que le dépôt ne soit naturellement inter stratifié de couche drainant.

On peut aussi améliorer les sols cohérents par traitement chimique.  La technique des colonnes de chaux est celle qui semble la plus prometteuse.  La réaction d’hydratation de la chaux avec l’eau de l’argile produit un mélange argile-chaux dont la résistance et le module sont largement supérieurs à ceux de l’argile intacte.  Les mêmes résultats peuvent être obtenus en mélangeant le ciment et l’argile.  Cependant, à cause de la faible perméabilité des argiles l’injection de produit chimique s’avère inefficaces.

On peut finalement, dans certains cas améliorer les propriétés des silts argileux par électro-osmoses mais les applications de cette technique n’ont pas été toujours couronnées de succès (Tavenas, 1979).

( Magnon, 1983)

 

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