Amélioration des sols naturels ou anthropiques par colonnes semi-rigides : Le procédé CMC Improvement of soils by semi-rigid columns. The CMC technique P Berthelot, Bureau Véritas, France B. Pezot, Ménard Soltraitement, France Ph. Liausu, Ménard Soltraitement, France KEYWORDS : Rigid inclusions, soil reinforcement, load test RESUME : La méthode d’inclusions rigides verticales appelée « colonnes à module contrôlé » a fait l’objet d’une démarche de normalisation sous la forme d’un « cahier des charges ». Ce procédé qui s’applique en général dans les terrains compressibles et plus particulièrement dans les remblais non contrôlés permet d’augmenter de manière globale les performances d’un sol. La mise au point du cahier des charges a été l’occasion de réflexions poussées dont certains aspects sont donnés ici. En particulier, la théorie classique des inclusions rigides est rappelée pour être utilisée dans l’analyse d’un plot d’essai de colonnes à module contrôlé. ABSTRACT : Controlled modulus columns are a vertical rigid inclusions system which is now covered by a standard specification. This system which is generally applied in compressible soils and more particularly in man made uncontrolled fills allows to enhance soil characteristics from a broad point of view. The preparation of the standard was an opportunity to deeply analyse the different aspects of the subject. Some of them are exposed in the following paper. In particular, classical theory of rigid inclusions is recalled and used to back analyse the result of an in-situ load test on a controlled modulus columns treated soil.

1 CONTEXTE DE DEFINITION D’UN PROCEDE La construction de bâtiments sur les remblais est un sujet qui mobilise l’attention des ingénieurs de la construction, et plus particulièrement les concepteurs de techniques d’amélioration du sol. Le procédé CMC a été mis au point avec l’objectif d’obtenir de manière efficace et sûre l’amélioration des caractéristiques d’un sol. Le nom du procédé « Colonnes à module contrôlé » ne doit pas être pris au pied de la lettre, mais interprété en « Colonnes pour un sol à module contrôlé ». Il s’agit de la mise en place d’un réseau d’inclusions semi-rigides verticales dans le sol de façon à obtenir un matériau composite (sol + colonnes) dont les caractéristiques sont globalement contrôlées à l’échelle macroscopique.

Figure 1 : Schéma de principe d’un renforcement de sol par inclusions rigides

Le sol vierge c’est à dire non traité étant caractérisé par une déformabilité et une résistance à la rupture, la nouvelle caractéristique du sol peut être deux, trois, cinq ou dix fois supérieure à ses caractéristiques originales selon l’emploi qui est fait des colonnes. En pratique, les principaux paramètres sur lesquels il est possible d’agir pour obtenir ce résultat sont les suivants :

o Profondeur des colonnes o Diamètre o Distance entre les colonnes

Afin d’obtenir de manière efficace et sure l’effet recherché, le procédé a été normalisé de la manière la plus poussée possible et c’est ce qui le distingue de tout autre procédé de réalisation d’inclusions rigides ou semi-rigides verticales. Le procédé comporte trois aspects de base qui doivent être examinés conjointement :

o Une méthodologie complète de dimensionnement permet de déterminer à l’avance toutes les caractéristiques du réseau de CMC en vue d’obtenir le résultat recherché en tassement et en portance pour un sol connu. Cette méthodologie précise également les limites d’emploi du procédé.

o La réalisation des colonnes qui est effectuée selon des procédures qui sont répétées sur chaque

chantier (de façon à limiter le nombre de paramètres qui entrent dans les analyses de retours d’expérience). L’opérateur dispose de la visualisation en temps réel des paramètres de forage et donc de la réaction du sol à la pénétration de son outil. Il dispose de consignes de forage qui sont issues du dimensionnement.

o Le contrôle des travaux s’effectue selon des méthodes répétitives et identiques et avec des

essais en quantité suffisante. Ces éléments sont synthétisés dans ce que l’on appelle un « cahier des charges » qui est la charte de la qualité de l’emploi du procédé. Ce document est établi conjointement par Ménard Soltraitement et le Bureau Véritas. L’établissement du cahier des charges a comporté à la fois l’étude de plots d’essai instrumentés et la réalisation d’un certain nombre de chantiers dans les remblais récents.

Inclusions rigides Sol

2 RECHERCHE D’UNE METHODE DE DIMENSIONNEMENT Le dimensionnement du réseau de CMC repose sur une répartition optimale des charges entre les CMC et le sol renforcé. Les tassements correspondants des ouvrages doivent pouvoir être calculés ainsi que les sollicitations dans les colonnes. Leur compatibilité avec les déformations et efforts admissibles dans les structures à fonder doit être vérifiée. Apport des théories existantes : Contrairement aux hypothèses faites pour la plupart des modèles de comportement d’un sol renforcé par des colonnes ballastées, l’hypothèse des sections planes horizontales restant planes n’est pas retenue. La relative raideur des CMC dont le module est de l’ordre de cent à mille fois supérieur à celui du sol et l’observation des tassements conduit à la définition de modèles dans lesquels la déformation verticale d’un point de la colonne est différente de celle du sol situé entre les colonnes. Cette différence peut être de l’ordre de grandeur du tassement. La présentation théorique du problème a été donnée en France par O. Combarieu pour les inclusions rigides sous un remblai. Elle sert de point de départ à l’approche recherchée. On suppose un réseau d’inclusions réalisées à travers une couche compressible recouverte en tête par la mise en place d’un remblai. L’ensemble est ensuite soumis à un chargement uniforme. Le schéma du comportement est le suivant :

Figure 2 : schéma de comportement d’un sol renforcé par inclusions rigides soumis à un chargement

o En tête, le sol tasse plus que les colonnes qui s’enfoncent dans le remblai de chargement. o En base, les colonnes tassent plus que le sol. Elles s’enfoncent dans la couche sous-jacente.

Il existe par conséquent une profondeur à laquelle le sol et les colonnes tassent autant. C’est le « point neutre » qui correspond à la seule section plane qui reste plane au cours du processus de tassement.

Figure 3 : Mécanismes de transfert de charges, tassement et contraintes Le processus de chargement et déchargement des colonnes est théoriquement le suivant :

o Au dessus du point neutre, le sol tasse plus que les colonnes et la colonne est soumise à du frottement négatif : le sol charge les colonnes

o Au dessous du point neutre, la colonne tasse plus que le sol et elle est soumise à du frottement positif : les colonnes se déchargent dans le sol.

La section de colonne la plus sollicitée est donc celle qui se trouve au niveau du point neutre. La contrainte de compression y est maximale. Dans le cas d’un chargement par radier infiniment rigide construit au niveau de la tête des colonnes, le point neutre se trouve en surface du modèle, au niveau de la sous-face du radier puisque les colonnes ne peuvent s’y enfoncer et le tassement y est plan. Il n’y a pas de frottement négatif et seule la partie inférieure de ces schémas existe. Les modèles de calcul doivent donc nécessairement intégrer :

o Un comportement en base de CMC avec son enfoncement qui peut intégrer un début de plastification

o Une loi de transfert des efforts par frottement entre colonne et sol qui fonctionne dans les deux sens.

o Une loi de comportement du sol en compression o Une loi de comportement des CMC en compression

Toute méthode de calcul de prédimensionnement manuelle comporte un certain nombre d’itérations pour résoudre le problème. La solution complète consiste à employer un modèle aux éléments finis qui peut seul couvrir tous les éléments du problème, c’est à dire :

o Structure chargée ou remblai pesant à la surface du sol o Couches de sol rapporté coiffant les têtes de colonnes o Colonnes o Sol traversé par les colonnes, en plusieurs couches o Sol situé autour et sous la base des colonnes

Le modèle peut comporter des lois de comportement élasto-plastiques en fonction de la nature des matériaux. Dans tous les cas, la qualité des données concernant les caractéristiques géotechniques est primordiale pour un bon dimensionnement.

Frottement négatif

Frottement positif

Tassement

Sol

Colonne

Contrainte dans la colonne

Position du point neutre

Profondeur Profondeur

3 PROCEDE DE REALISATION Une CMC est une inclusion moulée dans le sol dont le diamètre choisi à l’avance est constant sur toute sa hauteur. Le forage qui doit en descendant déplacer le sol moulant l’inclusion est réalisé par un outil refoulant animé d’un mouvement continu sans vibrations. Au cours de la remontée, un béton est libéré par l’âme de l’outil de forage et prend place sous forme d’une colonne qui n’est pas mélangée au matériau du sol. Outillage : L’outil de forage est une vis refoulante dont l’âme s’élargit en remontant de la pointe jusqu’à la largeur de colonne choisie. Elle est animée par un mécanisme qui combine un mouvement de rotation et une force d’appui sans asservissement de l’une par rapport à l’autre. L’absence de vibrations pendant le processus de forage permet d’éviter un comportement liquide du terrain autour des colonnes et le mélange du matériau introduit avec le sol dans une géométrie incontrôlée. A la remontée, un asservissement contrôle la quantité de matériau introduit en tenant compte d’une éventuelle sur-consommation.

Figure 4 : Schéma de principe de réalisation des CMC

Figure 4 : Schéma de principe de réalisation des CMC Matériau : Le béton introduit est plus précisément un mortier de consistance très fluide et dont la résistance est choisie en fonction des contraintes qui lui seront soumises obtenues par l’étude de dimensionnement. Le matériau est fabriqué par une centrale à béton indépendante de l’atelier de forage. Outre les composants classiques d’un mortier, il contient éventuellement des adjuvants spécifiques à son ouvrabilité et au contrôle du module. Généralement, on utilise un matériau de résistance fc28 comprise entre 5 et 10 MPa et dont le module différé est d’environ 5000 MPa. Il est injecté à la base de l’outil au moyen d’une pompe et de façon continue au fur et à mesure de l’extraction.

Enregistrements : Les paramètres de réalisation sont visibles sous forme de graphique depuis le poste de pilotage. Il s’agit de la force d’appui, du couple appliqué, des vitesses de rotation et de pénétration et des paramètres de remplissage. Ces paramètres sont recueillis sous forme d’enregistrement électronique.

Figure 5 : Exemple d’enregistrement des paramètres de réalisation Pour chaque chantier, il est réalisé une série de colonnes de calibration à proximité des points où le sol a été reconnu par une campagne de sondages préliminaires. Ces essais permettent d’établir les corrélations nécessaires entre les paramètres de fonçage et le sol. Une couche de répartition est obligatoirement interposée entre les dallages et les colonnes CMC. Dans le cas des radiers, cette couche peut être supprimée si le radier est calculé en conséquence. Il en est de même pour des semelles. Généralement, cette couche est constituée d’au moins 40 cm de matériau de remblai granulaire compacté ou de matériau traité au liant. Le module de déformation recherché y est de 50 MPa. Essais de contrôle : Ils portent sur la résistance du matériau, la qualité des colonnes exécutées et la portance des colonnes.

Figure 6 : Principe de fonctionnement de la couche de répartition 4 ESSAI COMPARATIF EN VRAIE GRANDEUR ET INSTRUMENTE D’AGEN Le plot d’essai est constitué d’une zone renforcée par CMC instrumentée et chargée par un remblai. Les résultats observés ont pu être analysés et comparés à ceux obtenus sur une zone similaire proche laissée vierge et chargée à l’identique (plot de référence). La coupe synthétique du sous-sol est issue d’un sondage pressiométrique au droit du plot complété de deux autres à proximité. Les formations compressibles de remblai et d’argile vasarde recouvrent le substratum de molasse. La nappe a été rencontrée vers 4,0 m de profondeur.

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Figure 7 : Coupe synthétique du sous-sol du plot d’essais d’Agen Le sol est renforcé par un réseau de 9 CMC de diamètre 0,40 m, d’entraxe 3,0 m et d’une profondeur de 8,50 m. Le terrain est ensuite recouvert d’un matelas granulaire d’épaisseur 0,40 m et d’une dalle béton non armée d’épaisseur 0,15 m. Les CMC ont été réalisées avec du béton dont le module est estimé à 20 000 MPa.

Remblai épaisseur 4,50 mEm = 4 MPa Pl = 0,6 MPa � = 0,5

Argile vasarde épaisseur 2,50 mEm = 2 MPa Pl = 0,5 MPa � = 0,5

Calcaire et MarneEm = 39 MPa Pl = 4,5 MPa � = 0,5

Zéro

- 4,50 m

- 7,00 m

Figure 8 : Disposition des colonnes et des moyens de mesure Dans le sol est installé un tassomètre de profondeur et quatre plaques surmontées de piges destinées à mesurer les tassements sont disposées sur la face supérieure de la dalle. En sous-face du dallage sont disposés neuf capteurs de contraintes totales soit au droit des CMC, soit entre les CMC. Le plot de référence est instrumenté de la même façon à l’exception des capteurs de contraintes. Le plot d’essai a fait l’objet d’un chargement par remblai sur une épaisseur de 3,0 m puis 5,0 m, sur une emprise de 12 m x 12 m en tête de remblai, de façon à se rapprocher du cas d’un chargement uniforme le plus étendu possible. Le plot de référence a été chargé par trois mètres de remblai. Le premier résultat observé est une réduction des tassements par un facteur voisin de trois. Les courbes montrent que l’évolution des tassements est stabilisée moins de 10 jours après l’application des charges.

3,00 m

9,00 m

9 CMC

Dalle béton 9 m x 9 m

4 plaques de tassement

posées sur la dalle béton

9 capteurs de contraintes totales installés en sous-face de la dalle

béton

Figure 9 : Tassements comparatifs mesurés sur le plot d’essai (courbes du haut) et le plot de référence (courbes du bas)

Malgré la présence des colonnes sous le dallage, son tassement est relativement homogène. Un tassement légèrement supérieur est cependant observé en périphérie ce qui n’est pas inattendu compte tenu de l’absence de renforcement sous la charge en limite de dallage. Le rapport de la contrainte mesurée rapportée à la contrainte moyenne que nous appellerons « contrainte normée » atteint 150% au droit des CMC. La position des capteurs en sous-face immédiate du dallage laisse penser que cette contrainte augmente lorsque le point considéré descend de 40 cm et se situe sous le matelas granulaire. Le dallage est donc bien soumis à des réactions différentielles de la part du sous-sol liées à la présence des CMC, comme il est généralement anticipé. Cependant, la contrainte normée reste compris entre 80% et 100% à mi-distance entre les colonnes. L’influence des colonnes ne se fait donc pas sentir en surface au centre de la maille. Il paraît probable que cette contrainte diminue lorsque le point considéré descend dans le sous-sol jusqu’à la position du point neutre.

Figure 10 : Contrainte normée mesurée en sous-face du dallage Par contre, au quart de la distance, les capteurs ne subissent plus qu’une contrainte normée de 50 à 80%. On doit donc en conclure que dans l’environnement immédiat des CMC jusqu’au quart de la distance séparant les colonnes au moins, la présence du dallage a favorisé les transferts de charges vers les colonnes. Les observations de contraintes sont qualitativement conformes au modèle de fonctionnement anticipé. 6 COMPARAISON AVEC L’ANALYSE MATHEMATIQUE L’analyse des phénomènes observés à Agen est effectuée à l’aide du logiciel PLAXIS. Le modèle utilisé est axisymétrique autour de l’axe des colonnes. La modélisation consiste à représenter une colonne ainsi que le volume de sol situé sous la surface carrée attachée à celle-ci par un cylindre de surface équivalente. Aux limites du cylindre, la continuité et la symétrie sont imposés grâce à la possibilité de bloquer la rotation des nœuds. Le passage d’un problème avec des plans de symétrie perpendiculaires à une symétrie axiale présente des défauts mineurs le principal étant la perte de validité des résultats aux limites du modèle. Cependant, cette zone ne présentant aucune singularité et l’analyse précédente ayant montré que les phénomènes les plus complexes ont lieu autour des colonnes, la modélisation semble être la meilleure possible, sans toutefois recourir à un modèle tridimensionnel. Le volume modélisé comprenant dallage, sol et colonne est découpé en sous-volumes correspondant aux différents matériaux ou couches de sol. Chaque matériau de type sol est affecté d’un module d’Young et de limites d’élasticité sous la forme d’un angle de frottement et d’une cohésion.

Figure 11 : Le modèle aux éléments finis et les tassements calculés Le tassomètre situé à 7 m de profondeur sous le plot d’essai ayant mesuré un tassement de 7,2 mm sous 5 m de chargement par remblai, le modèle des couches profondes est calé pour représenter cette valeur. Ce calage est obtenu par ajustement de l’épaisseur de la couche 5 chargée de représenter le calcaire. Aucun autre calage avec l’observation d’Agen n’est effectué de façon à donner une idée des écarts qui peuvent subsister entre la méthode de dimensionnement et la réalité. Le tassement calculé de la surface est de 37 mm. Le plot d’essai ayant donné 32 mm, l’écart relatif est de 15% environ, dans le sens sécuritaire. (figure 15). Le point neutre s’établit à la base de la couche d’argile vasarde, c’est à dire que les colonnes s’enfoncent peu dans le calcaire, ce qui n’est pas étonnant car elles y sont ancrées de 1,50 m.

7 CONCLUSION Les résultats présentés ci-avant ne sont qu’une fraction des comparaisons et analyses effectuées à l’occasion du plot d’essais d’Agen. Celui-ci s’inscrit par ailleurs dans un programme plus complet d’essais en vraie grandeur qui ont permis de pousser la normalisation du procédé des colonnes à module contrôlé. La masse de renseignements recueillis a été par ailleurs l’occasion de valider tout en reconnaissant les limites des modèles de calcul utilisés par différents bureaux d’études d’entreprises ou d’ingéniérie.