Contexte

Lors de la conception d’une structure de chaussée adaptée aux conditions environnementales et de trafic existantes, les ingénieurs et gestionnaires font souvent face à trois problèmes récurrents :

 Les coûts requis pour la construction de structures de chaussée représentent généralement une part importante des dépenses annuelles d’un pays ; surtout pour les constructions en milieu instable. Du fait de la durabilité relativement modeste procurée par les méthodes de construction conventionnelles

 La durée de vie des réhabilitations est généralement inférieure à la durée requise, ce qui a pour effet d’augmenter chaque année la longueur de chaussée devant faire l’objet d’une réhabilitation majeure ou d’une reconstruction.

 La faible disponibilité ou l’épuisement en matériaux granulaires de bonne qualité, laisse présager qu’une solution permettant de réduire la consommation d’au moins une partie des matériaux granulaires devra être envisagée à court ou moyen terme, afin de conserver cette ressource pour les applications où elle est essentielle.

Conscients de ce contexte et de l’urgence d’apporter des solutions efficaces aux concepteurs de chaussées, l’utilisation des géosynthétiques dans le renforcement des chaussées commence à être chose courante. Ainsi, des enseignants chercheurs de l’EPAC (École Polytechnique d’Abomey-Calavi), ont donc initié une étude vouée à l’étude du comportement des chaussées sur sols gonflants, renforcées par géosynthétiques.

Les résultats de cette étude constitueront le cas échéant une base de données qui nous permettra de maîtriser l’utilisation de ces matériaux d’un genre nouveau.

caractérisent les sols dits gonflants. Construire sur ce type de sol un ouvrage de génie civil qui tienne dans le temps estépineux.

Le Benin est traversé par une grande dépression du sud-est au sud-ouest précisément de la latitude de Sê à celle d’Onigbolo passant par Ouinhi et Séhouè. Cette dépression admet une forte concentration de sols gonflants et précisément d’argile marneuse allant jusqu’à 30 mètres de profondeur.[1]

Ces sols sont non seulement à faible portance, mais causent des dommages aux ouvrages dans les pays (comme le Bénin) caractérisés par l’alternance entre les saisons sèche et pluvieuse.

La Route Nationale n°3 traverse cette zone de sols gonflants et assure le transit du trafic dirigé vers ou quittant le port autonome de Cotonou pour la région du Plateau lieu de production du ciment et d’égrenage du coton. En outre, la dégradation de la Route Nationale Inter État N°2 qui relie la Capitale économique aux régions du centre voire du nord du pays, induit une augmentation du trafic sur la RN 3; ce qui accélère les dégradations de la route.

Ainsi, les géosynthétiques ont été adoptées comme solution par les concepteurs de cette route, à sa construction (géotextile) et par la suite à sa réhabilitation (géogrille).

Ces solutions adoptées, il est de bon ton d’évaluer leur performance face aux contraintes liées au trafic et à la nature du sol gonflant. L’évaluation de cette performance sera l’objet de notre étude.

3. Objectifs

3.1. Objectif général

L’objectif visé à travers ce mémoire, est d’évaluer la performance de la route Pobè-Kétou suite à son renforcement par les géosynthétiques.

3.2. Objectifs spécifiques

Plus spécifiquement, il s’agit :

 d’opérer une caractérisation des sols de la zone d’étude ;

 d’étudier le phénomène de gonflement-retrait ;

 d’énumérer les différentes sortes de dégradations d’une route revêtue ;

 d’identifier les dégradations dues aux sols gonflants ;

 d’effectuer une classification et une identification des matériaux géosynthétiques selon leur fonction et leur application principale ;

 d’ausculter la route existante afin d’obtenir une vision correcte de la situation du revêtement et de l’environnement immédiat de la route ;

 de procéder à un prélèvement de matériaux in-situ pour des analyses ;

 d’effectuer une étude comparative entre le tronçon de la route renforcé et non renforcé ;

 d’effectuer des variantes de dimensionnements afin de voir l’impact sur le coût de la route ;

 de proposer une approche de solution aux insuffisances notées suite à nos observations.

possibilité en évaluant sa performance pour son utilisation le cas échéant.

 Les travaux menés jusque-là sur une étude comportementale d’une chaussée renforcée par géosynthétique n’ont pas pris en compte le retour sur investissement d’une telle méthode du à l’augmentation de la durée de service ou la possibilité de gain en matériaux granulaires.

5. Hypothèse de l’étude

 L’utilisation de la géogrille dans une chaussée renforce cette dernière et retarde la remontée des fissures.

 La géogrille contribue à l’augmentation de la durée de service voire à la réduction des matériaux granulaires dans une chaussée.

 Le géotextile ne renforce pas la chaussée, mais constitue une interface pour éviter les remontées capillaires dans le corps de la chaussée et donc évite la contamination des couches de chaussée.

6. Méthodologie

Pour atteindre les objectifs précités, nous commencerons d’abord par étudier les sols gonflants dans leur généralité, ensuite la technologie de construction routière sur ce type de sol, puis nous étudierons la région objet de notre étude et enfin faire une descente sur le terrain en vue d’une visite de site. Une recherche documentaire sera nécessaire à la réalisation de notre étude (Travaux, et résultats d’essais relatifs à notre travail). Un prélèvement d’échantillons sera effectué afin de les analyser au laboratoire puis nous interpréterons les résultats qui en découlent.

7. Plan de l’étude

Trois grandes parties, rédigées en huit chapitres, constitueront l’ossature de ce travail. La première sera consacrée à l’étude bibliographique. Dans la partie suivante, il s’agira d’évaluer le comportement de la chaussée renforcée. Quant à la dernière partie, elle s’articulera autour d’une étude comparative entre une chaussée renforcée et celle qui ne l’est pas.

Première Partie : Étude

Bibliographique

1. Chapitre 1 : Généralité, localisation et problèmes occasionnés par les sols gonflants dans les ouvrages

Les sols argileux gonflants occupent de larges étendus dans le monde et constituent environ 10 % des sols africains. Ils sont beaucoup plus abondants en régions tropicales. Cette abondance n'est toutefois pas le fruit du hasard. Car la genèse de ces argiles réside souvent dans l'altération des roches basiques sous des conditions climatiques alternant saison sèche, saison humide ou dans des conditions de dépôt particulières [2].

Ces sols sont à l'origine de beaucoup de désordres observés dans les structures routières. Il est à noter qu'ils sont plus préoccupants au niveau des régions où le climat présente des alternances saisonnières très contrastées comme c'est le cas dans les zones tropicales telles que le Bénin où le climat favorise de fortes variations de teneur en eau dans les sols [2]. En effet, ces climats se caractérisent principalement par deux grandes saisons: humide et sèche. Ainsi durant la saison pluvieuse, les sols accumulent d'importantes quantités d'eau qui, par la suite s'évaporent progressivement durant la saison sèche. À cela s'ajoute le fait que dans les régions comme le Bénin, la saison humide se caractérise par des pluies souvent espacées : ce qui produit d'importantes variations de teneur en eau dans ces sols durant l'intervalle de deux pluies successives.

Dans le cas donc des sols gonflants qui se caractérisent par une augmentation considérable de leur volume en présence d'eau, les déformations verticales (de retrait ou de gonflement) peuvent atteindre 10% de l’épaisseur de sol considérée, voire dépasser cette valeur [3]

Les phénomènes de variation de l'état hydrique du milieu environnant s'avèrent être très préoccupants. En effet, les constructions sur ces types de sols sont soumises à des mouvements entraînant des désordres structurels lorsque celles-ci n'ont pas été dimensionnées en conséquence; ce qui réduit ainsi considérablement leur durée de vie.

initial. Ces sols sont des mélanges de particules solides, composées de minéraux argileux, en particulier la montmorillonite (bentonite) qui peut gonfler, d’environs dix fois sonvolume initial, lorsqu’il est en contact avec l’eau.[4]

Toutefois il existe certains sols composés de débris végétaux et de cendres volcaniques appelées tourbes qui peuvent se classer dans la catégorie des sols gonflants (compressibles) à cause de leurs tassements indéfinis. La tourbe est le produit de la fossilisation de débris végétaux par des microorganismes (bactéries, arthropodes, champignons, microfaune) dans des milieux humides et pauvres en oxygène que l'on appelle tourbière sur un intervalle de temps variant de 1 000 à 7 000 ans. [4]

1.1.2. Les argiles 1.1.2.1. Définition

Le terme « argile » n’aura pas le même sens en mécanique des roches, en physique du sol, ou en poterie. Il désigne, selon les cas, un ensemble d’espèces minérales, une famille de roches, une catégorie de sols ou encore une classe granulométrique. Sous cette appellation générique se cache donc une grande variété de matériaux, dont le point commun est de posséder des minéraux argileux. Ceux-ci sont de nature bien précise (à base de silicates) et leur structure confère à ces matériaux comparativement à d’autres types de sols ou de roches des propriétés bien spécifiques quant à leur interaction avec l’eau.

Les minéraux argileux sont des silicates hydratés (il s’agit généralement de silicates d’aluminium, mais parfois de silicates de magnésium), dont la structure feuilletée les range dans la famille des phyllosilicates. Selon la famille de minéral

argileux considérée, les particules les plus fines peuvent être constituées d’un feuillet ou d’un assemblage de quelques feuillets, et leur taille est très faible, de l’ordre de 2μm

; ces dimensions sont caractéristiques des particules argileuses et ne se retrouvent pas dans d’autres minéraux.

En effet, le terme « argile » a un double sens : il désigne à la fois les minéraux argileux eux-mêmes, et les sols et roches contenant une assez grande quantité de particules argileuses. En Mécanique des Sols, on définit la fraction argileuse d’un sol comme étant la teneur en particules de moins de 2μm de diamètre. Le matériau est lui-même qualifié d’argile s’il contient plus de 50% de minéraux argileux et une faible quantité de matières organiques. C’est une roche sédimentaire terreuse faisant pâte avec l’eau ; on la qualifie de plastique. La plasticité d’un matériau est caractérisée par le fait qu’il peut être déformé d’une façon permanente, à volume constant, sans perdre sa cohésion interne.

On distingue suivant leur origine :

 Les argiles d’altération : formées principalement par

 l’altération des calcaires en climats tempérés ;

 ou l’altération des latérites en climat chaud et humide ;

 Les argiles fluviatiles : elles se déposent surtout dans le lit majeur des fleuves, lors des décrues ;

 Les argiles lacustres : déposées dans les lacs et étangs ;

 Les argiles marines : ce sont des argiles d’origine continentale déposées en milieu marin, et généralement modifiées par la diagénèse.[5]

L’étude bibliographique qui va suivre va permettre de mieux cerner ces matériaux argileux afin de voir en quoi les matériaux géosynthétiques pourraient constituer des solutions aux problèmes que posent ceux-ci.

La cellule de base (unit cell, en anglais) des minéraux argileux est appelée cristallite. Elle est constituée d’un feuillet(layer) et d’un interfeuillet (interlayer) appelé aussi espace interfoliaire ou interstice. Chaque feuillet est lui-même formé de la superposition de deux ou trois couches (sheets) cristallisées (c’est-à-dire dans lesquelles les atomes, solides à température ordinaire, sont régulièrement distribués).

L’interfeuillet est constitué de fluide (d’eau) assurant une liaison électrochimique entre les feuillets. Il existe différents types de liaisons interfeuillets, liées notamment à des phénomènes de substitutions isomorphiques à la surface des cristallites.

Les argiles monominérales (montmorillonite, illite, kaolinite, etc.) présentent des structures élémentaires, constituées de feuillets assemblés les uns sur les autres et appelées souvent paquets.

Sous l’influence de l’altération chimique et d’autres phénomènes, ces

«paquets»peuvent se réunir pour former des structures élémentaires en micro-agrégats. [6]

Une particule d’argile résulte de l’empilement face-à-face de quelques cristallites élémentaires ; elle n’est formée parfois que d’une seule cristallite (d’ailleurs, en anglais, le terme «particle» désigne bien souvent la cristallite elle-même). Il arrive aussi que le terme cristallite soit lui-même employé pour désigner un empilement de plusieurs feuillets, c’est-à-dire ce que nous avons nous mêmes qualifiés de particule.

Nous allons voir que ces cristallites peuvent s’assembler de manières très diverses.

Des différentes possibilités d’empilement des couches dans les feuillets, de substitutions isomorphiques, de liaisons interfeuillets et enfin d’arrangement spatial des cristallites résultent de la grande diversité de structures et de propriétés des argiles.

1.2.2.3. Minéralogie des argiles gonflantes

Les argiles sont des silicates d'aluminium plus ou moins hydratés, micro cristallin à structure en feuillet (phyllosilicates). Les silicates sont composés d'un assemblage de tétraèdres et d'octaèdres formant des feuillets. C'est de la disposition de ces feuillets que découleront leurs propriétés. Ainsi, la relation entre la particule d'argile et la molécule d'eau est très complexe.

Schématiquement, les faces négatives des particules attirent les molécules d'eau parleurs extrémités positives: il en résulte une première couche d'eau liée. Plus on s'éloigne de la particule argileuse, moins les molécules d'eau seront orientées et on aura donc de l'eau libre.

Les marnes sont des mélanges d'argile et de calcaire. Suivant la proportion de carbonate de calcium (CaC03), qu'elles contiennent, on parlera de marne argileuse (de 5% à 35% de carbonate de calcium) ; de marnes (35% à 65%) et de calcaires marneux (65% à 95%).

L'expérience a montré que, ce sont les argiles dont la structure fait intervenir les cations saturateurs de type, Ca²⁺,H⁺ , Na⁺ qui sont souvent les plus susceptibles au gonflement.

En effet, en milieu hydraté ces cations s'entourent de dipôles d'eau, il en résulte une augmentation de l'espace inter foliaire.

Cela correspond à une augmentation de volume du matériau ou en d'autres termes un gonflement.

Du point de vu chimique, cet agrandissement de l'espace inter foliaire s'explique par l'augmentation très considérable du rayon ionique des cations saturateurs

On distingue par ordre décroissant de gonflement, les montmorillonites sodiques puis les montmorillonites calciques, les iIIites et enfin les halloysites qui ne sont rien d'autre que des kaolinites hydratées. Toutefois, les paramètres de gonflement d'un sol ne sont quantifiables qu'à l'échelle de l'éprouvette de sols. Pour cela, plusieurs types d'essais sont possibles mais leur représentativité du comportement du sol après mise en place est quelquefois discutable.

Le feuillet élémentaire de la montmorillonite est formé par une couche octaédrique comprise entre deux couches tétraédriques (Figure 1.3). [2]

Figure 1.1:Structure de la montmorillonite (Grim, 1968), cité par [7]

Les nombreux minéraux argileux et groupes de minéraux argileux se différencient d’abord par l’empilement et le décalage de leurs feuillets élémentaires, ainsi que par la substitution des atomes isomorphes dans le réseau cristallin. Ainsi, dans les beidellites, les siliciums Si⁴⁺ sont partiellement substitués par des aluminiums Al³⁺ et les aluminiums Al³⁺ par des magnésiums Mg²⁺. La cohésion des couches élémentaires est assurée par les forces (assez faibles) de Van der Waals et des liaisons hydrogène dans le cas de la kaolinite.

Tableau 1.1: Schéma simplifié montrant la classification des principaux groupes de minéraux argileux et de leurs espèces (Jasmund et Lagaly, 1992), cité par [7]

Du fait de la substitution des ions Si⁴⁺ par les ions Al³⁺ dans la couche tétraédrique (illite et beidellite) et les ions Al³⁺ par des ions de valences inférieures comme Mg²⁺ dans la couche octaédrique (montmorillonite), des charges non compensées sont produites entre les feuillets et sont responsables à 80% de la capacité d’échange cationique (CEC). L’équilibre des charges n’est pas atteint et la neutralité électrique sera alors assurée par des cations compensateurs (Na⁺, K⁺, Ca²⁺) qui servent de lien entre les feuillets. [7].

L’illite et la montmorillonite ont la même structure cristalline mais elles diffèrent par le type et le nombre de substitutions. L’espace entre les feuillets est plus important chez la montmorillonite que chez l’illite où des ions K⁺ plus gros se trouvent

très proches des points de substitution et sont solidement insérés entre les feuillets et empêchent par conséquent le gonflement de cette argile.

Les minéraux ayant de faibles déficits de charges et des cations échangeables de valences variables ne présentent qu’une faible attraction de feuillet en feuillet, ceci facilite la pénétration des molécules H2O entre les feuillets en les écartant. Ainsi, les cations compensateurs sont mobilisables par des échanges réversibles avec les cations des solutions mises en contact avec l’argile. [7].

1.2.2.4. Classification des argiles

Les minéraux argileux appartiennent à la famille des phyllosilicates. Leur structure est un empilement de couches tétraédriques et octaédriques qui forme les feuillets. Les tétraèdres sont liés les uns aux autres par des atomes d’oxygène. Ils forment ainsi un réseau planaire d’hexagones d’atomes d’oxygène. Les octaèdres sont liés par un côté. L’agencement des couches permet de distinguer trois principaux types de minéraux :

 Type 1 :1 ou T –O (1 couche octaédrique et 1 couche tétraédrique) équidistance voisine de 7 Å

 Type 2 :1 ou T -O- T (1 couche octaédrique entre 2 couches tétraédriques) équidistance variable entre 9 et 15 Å, suivant le remplissage ou non de l’espace interfoliaire ;

 Type 2 :1 :1 ou T –O-T –O est similaire au type précédent mais l’espace interfoliaire est occupé par une couche d’octaèdres. L’équidistance caractéristique est alors de 14 Å environ.

Chimiquement, les tétraèdres sont constitués de quatre oxygènes (trois planaires et un apical) encadrant généralement un atome de Si⁴⁺ ou Al³⁺, et plus

remplies par des cations divalents). Les différentes substitutions possibles dans le tétraèdre ou dans l’octaèdre créent un déficit de charge cationique dans la structure.

Ce déficit, s’il existe, est compensé au plus près par la charge du remplissage interfoliaire, soit par des cations (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, NH⁴⁺), soit par une couche octaédrique (cas des chlorites), qui agit également sur la distance entre les feuillets (Figure 1.2).[7]

L’illite (K, H2O)2 Si8 (Al, Fe, Mg)4.6 O20 (OH)4

Les illites appartiennent à la famille des phyllosilicates 2 :1. Le feuillet élémentaire est composé d’une couche octaédrique d’aluminium comprise entre deux couches tétraédriques de silicium. Dans les couches tétraédriques de silicium un ion Si⁴⁺ sur quatre est remplacé par un ion Al³⁺. Le déficit de charge qui en résulte est compensé dans l’espace interfoliaire par des ions potassium K⁺ qui assurent des liaisons fortes entre les feuillets. [7]

Les smectites (OH)4 Si8 (Al10/3, Mg2/3) O20, nH2O

Les smectites, dont la montmorillonite et la bentonite, appartiennent à la famille des phyllosilicates 2 :1 gonflant. Le feuillet élémentaire est caractérisé par l’empilement de 2 couches tétraédriques séparées par une couche octaédrique. Les atomes de silicium constituent majoritairement les tétraèdres mais des cations (Al, Fe) peuvent se substituer au Si dans ces tétraèdres. Les couches octaédriques sont quant à elles composées d’Al, Mg, Fe²⁺, Fe³⁺,… (Leger 18 septembre 1997). Les smectites ont, de par leur structure, la nécessité d’équilibrer leur charge dans l’espace interfoliaire par l’insertion de cations dans cet espace. Ces cations, peu liés à la structure, sont

susceptibles d’être échangés par d’autres cations. C’est ce que l’on appelle la capacité d’échange cationique (CEC). Cette structure permet aussi l’insertion, entre les feuillets de molécules telles que l’eau, le glycérol, ou d’autres molécules organiques. Cette insertion se traduit par un gonflement de la structure. Ces variations sont dépendantes de la nature de la molécule, des conditions de température, de pression et de la nature du cation compensateur. [7]

Les vermiculites (Mg,Ca)0,7(Mg,Fe,Al)6(Al,Si)8O22(OH)4.8H2O

Les vermiculites appartiennent à la famille des phyllosilicates 2 :1. Elles constituent une famille proche de celle des smectites, mais elles sont caractérisées par un déficit de charge plus important. Elles sont majoritairement trioctaédriques. Le déficit de charge est essentiellement dû aux substitutions tétraédriques et la compensation est assurée dans l’espace interfoliaire par des cations (Mg²⁺

principalement) et des couches d’eau.[7]

Les chlorites (OH)4 (Si Al)8(Mg, Fe)6O20

Les chlorites appartiennent à la famille des phyllosilicates 2 :1 :1. Il est nécessaire de citer les chlorites du fait que leurs propriétés se rapprochent de celles des argiles et que ce minéral peut être présent en quantité non négligeable dans les sols les moins évolués de la région. Leur structure est cependant plus complexe, et se compose d’un feuillet 2 :1 entre lequel s’insère un feuillet de brucite. [7]

La kaolinite (Si4O10) Al4 (OH)8

Les kaolinites appartiennent à la famille des phyllosilicates 1 :1. Le feuillet

Les kaolinites appartiennent à la famille des phyllosilicates 1 :1. Le feuillet

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