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I. ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE

I.6 Approches prédictives

La prédiction des propriétés physico-mécaniques du matériau est principalement basée sur des

travaux expérimentaux effectués sur des échantillons de béton de sol, mais elle dépend aussi du

traitement des données (choix des paramètres, outils mathématiques...). En raison des incertitudes

liées à l’hétérogénéité des sols, aux conditions environnementales et au malaxage sur chantier, il est

cependant encore difficile de prédire les propriétés du matériau à partir d'une expression générale.

I.6.1 Propriétés de transferts

En pratique, il est intéressant de connaitre le lien entre les différentes propriétés physiques du

matériau afin de pouvoir passer d'un paramètre à un autre. Pour un matériau DSM la conductivité

hydraulique varie entre 10

-8

et 10

-12

m/s quel que soit le type de sol (Denies et Huybrechts 2012c).

Deng (2015) a étudié la conductivité hydraulique de mélanges argile-ciment et montré que l'on

pouvait réduire d'environ 10 à 100 fois la valeur de k en rajoutant dans le mélange 3 à 5 % de

a)

51

métakaolinite. L'auteur attribue cette diminution à une porosité totale plus faible et à un

étranglement des pores plus important en présence de métakaolin (Deng et al. 2015), qui a priori

résulte de l'effet filler et pouzzolanique de cette argile une fois calcinée (Kolovos et al. 2013).

Figure I-41 a) Relation entre k et nD50² (Deng et al., 2015) et b) entre la perméabilité et la porosité

(Denies et Huybrechts 2012c).

Il semble également y avoir un lien important entre les propriétés de transferts et la variable

composée nD50² (Figure I-41a), où n est la porosité et D50 le diamètre médian d'entrée des pores

lorsque 50 % du volume des pores est rempli (Deng et al., 2015). Il est cependant difficile selon

Denies (2012c) de corréler directement la conductivité hydraulique avec la porosité (Figure I-41.b).

I.6.2 Résistance en compression

Il est intéressant de noter que sur un chantier de Deep Soil Mixing, une distribution normale

logarithmique est plus appropriée qu’une simple loi normale pour représenter statistiquement la

répartition des valeurs de résistances en compression (Figure I-42). Une loi normale est a priori trop

pessimiste voire absurde, puisqu'elle peut amener à des valeurs négatives lorsque l'on calcule le

fractile à 5 % des résistances en compression selon l'Eurocode (Guimond-Barrett, 2013). En pratique,

un niveau de confiance de 80 à 90 % est recherché, ce qui correspond à des coefficients de sécurité

souvent élevés et de l'ordre de 2,5 ou 3 (Topolnicki 2015).

Figure I-42Etude statistique sur la valeur de la résistance en compression pour des chantiers de Deep

Soil Mixing : selon a) Topolnicki (2015) et b) Arora et Road (2015).

a)

b)

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Une approche statistique est par ailleurs généralement conseillée, l'objectif étant de garantir qu'un

pourcentage minimal d'échantillons dépasse une certaine valeur de conception, plutôt que

simplement désigner une valeur minimale de résistance en compression (Arora et Road 2015).

Les remarques précédentes soulignent la complexité de l'enjeu primordial qui consiste à prédire les

propriétés mécaniques du matériau. Certains auteurs proposent néanmoins des relations qui ne sont

pas encore généralisables pour tous les types de sol, mais qui constituent une solide base de départ

et permettent une meilleure compréhension du matériau. Correia (2013) propose par exemple un

modèle permettant de prédire la résistance en compression de bétons de sol (Correia, 2013), afin

d'alléger le nombre d'essais préliminaires nécessaires à l'optimisation de la quantité d'eau et de liant.

Initialement développée pour des mélanges entre un sol meuble de "Baixo Mondego" et un ciment

composé, la méthode a ensuite été généralisée pour de nombreux autres sols meubles à partir de la

littérature (Figure I-43.b). Le modèle de prédiction proposé permet de déterminer la résistance en

compression à 28 jours quelle que soit la teneur en ciment ( ) définie comme le rapport entre la

masse de ciment et celle du sol sec, et l'indice de liquidité (IL) qui correspond à la teneur en eau du

mélange moins sa limite de plasticité le tout divisé par son indice de plasticité. Les essais

expérimentaux peuvent finalement être ramenés à la seule détermination de la résistance à 28 jours

d'un mélange avec 18 % de ciment et un indice de liquidité de 1 (

), en utilisant

l'équation 4 extraite de la Figure I-43.b.

(4)

Figure I-43Résistance en compression d'un sol meuble "Baixo Mondego" traité au ciment a) et

modèle prédictif à partir de et pour une teneur en ciment de 18 % b) (Correia, 2013).

Dans ses travaux de thèse, Szymkiewicz (2011) exprime la résistance en compression en fonction de

la teneur en ciment par mètre cube de sol sec, à partir d'une loi puissance (équation 5), qui est selon

Consoli et al. (2010) la plus adaptée (Consoli et al. 2010).

(5)

Les paramètres a et b sont déterminés pour différents mélanges de sables ou de limons avec du

ciment, et exprimés l'un en fonction de l'autre grâce à la relation linéaire existant entre ces deux

paramètres (Figure I-44.a). Il est alors possible d'exprimer la valeur de la résistance en compression

seulement à partir de la teneur en ciment (C en %) et du coefficient b.

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Figure I-44 Relation entre a et b à 7 jours a) et entre b

7

et C63 b) (Szymkiewicz, 2011).

Afin d'introduire un paramètre plus physique dans l'équation, sur la Figure I-44.b, le coefficient b est

ensuite exprimé en fonction du pourcentage de fines dans le sol (

) qui correspond à la quantité de

passant du sol à 63 μm (AFNOR, 2003). Szymkiewicz (2013) aboutit finalement à l'équation 6

permettant d'estimer la résistance en compression simple à 28 jours, sachant que l'augmentation de

la résistance est logarithmique en fonction du temps et dépend du rapport wf/wi qui correspond à la

teneur en eau finale du mélange (après la prise) divisée par la teneur en eau initiale du mélange (eau

de gâchage) :

(6)

I.6.3 Module d'élasticité

Les bétons de sols se différencient des bétons ordinaires par leur plus forte déformabilité. Ils sont

généralement 5 à 8 fois moins rigides et capables de se déformer 4 à 5 fois plus avant la rupture

qu’un béton ordinaire (Kolovos et al. 2013). Ces caractéristiques sont déterminantes lors de la

répartition des charges entre le béton de sol fabriqué et le sol environnant (Guimond-Barrett, 2013),

d’où l’importance de la connaissance du module d’élasticité.

Ganne (2012) et Guimond-Barett (2013) ont déterminé les valeurs de résistance en compression et

de module statique tangent (entre 0,1fc et 0,3fc) par mesure locale à partir d'extensomètres. Ces

caractéristiques mécaniques du matériau sont exprimées l'une en fonction de l'autre afin de prévoir

la déformabilité des ouvrages en bétons de sol. Généralement, la relation fc-E présente une certaine

dispersion et permet au mieux d’obtenir un fuseau (Szymkiewicz et al. 2010). D'autres travaux de

recherche montrent qu'il est important de prendre en considération le type de sol (Figure I-45.a),

puisque le rapport E50/fc est de l'ordre de 2055 dans le cas des sables mais de seulement 720 pour les

limons. Le même ordre de grandeur est obtenu (620 < E50/fc < 1460) pour des carottes de béton de

sol prélevées sur 17 sites de construction différents (Figure I-45.b). Ces travaux réalisés en Belgique

confirment cependant que la prédiction du module d'Young (E) est imprécise lorsque l'on ne prend

pas en compte les caractéristiques du sol, les conditions d'exécution, et le temps de cure. De plus,

selon l’envergure du projet, la connaissance de E n’est pas toujours suffisante et certains auteurs

recommandent de compléter la connaissance de la rigidité du matériau par l’étude de l’inertie des

réseaux d’inclusion (Jeanty et al. 2013). La prédiction de la valeur du module d’élasticité est

cependant de plus en plus aboutie grâce aux nombreuses avancées en matière d’extraction de

données basées sur des régressions multiples, des réseaux de neurones artificiels, des machines à

support vectoriel ou des réseaux fonctionnels (Tinoco et al. 2014).

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Figure I-45 Relation entre le module d'élasticité statique et la résistance en compression: a) selon le

type de sol (Guimond-Barrett, 2013) et b) sans distinction du type de sol (Ganne et al., 2012).