Techniques de réalisation

Un micropieu est généralement constitué d’une armature enrobée dans une coulis et surmontée en tête par une platine assurant la liaison entre le micropieu et la structure (figure I.7) La réalisation d’un micropieu est un processus qui normalement consiste en : forage, mise en place de l’armature et injection du coulis.

Figure I.7. Schéma d’un micropieu type

Actuellement différentes techniques de réalisation de micropieux sont utilisées en France et dans le monde. Selon les méthodes d’insertion dans le sol et les matériaux utilisés en passant par les méthodes de scellement, il existe un grand nombre de technologies disponibles pour réaliser des micropieux. Les performances et le comportement de ces micropieux dépend en grande partie de la technique utilisée. C’est pour cette raison que différents organismes ont essayé de les regrouper et de donner une classification des micropieux en fonction des techniques utilisées pour leur mise en œuvre.

La norme européenne NF EN 14199 (2005) établit les principes généraux pour l'exécution des micropieux. En dehors de considérations d'ordre pratique, il n'y a pas de limitation concernant les élargissements du fût ou de la base, la longueur, l'inclinaison ou l'élancement des micropieux. Les types des micropieux les plus utilisés en France sont des micropieux forés (figure I.7), cependant il existe des autres techniques comme les micropieux battus ou vissés. Les micropieux battus sont très utilisés dans les pays d’Europe du Nord (Hartikainen, 2000). Le principe des micropieux vissés repose sur l’utilisation d’un tube en acier à un ou plusieurs filets (lames circulaires de formes hélicoïdales) qui est vissé dans le sol à l'aide d'un équipement spécialisé.

La synthèse présentée ci-après s’appuie sur les travaux effectués dans le cadre du projet national FOREVER (2004) et le manuel de référence de l’organisme FHWA (2005).

I.4.1. Méthodes d’insertion dans le sol

Il existe une vaste gamme de méthodes d’insertion dans le sol qui vont de la réalisation d’un forage préalable avec enlèvement de matière, forage sans enlèvement de matière et forage utilisant l’armature comme train de tiges (battu ou foré) (FOREVER, 2004).

La technique de forage utilisée pour réaliser un micropieu conditionne l’état du sol pour un certain temps et sur une certaine distance. La méthode de forage choisie doit ainsi éviter de causer un niveau inadmissible de perturbation du sol au voisinage du micropieu.

Dans la pratique, l’appareil de forage le plus utilisé est la foreuse hydraulique (électrique ou diesel), qui est généralement montée sur des chenilles pour permettre un accès dans des terrains difficiles ou très pentus (FHWA, 2005). Elles ont normalement un mécanisme articulé qui permet de s’adapter aux conditions particulaires, telle que la réalisation d’un micropieu proche d’un mur (figure I.8).

En ce qui concerne l’outil de coupe, celui-ci sert à détruire le sol à la base du forage en cours de réalisation. Il doit être choisi pour causer une perturbation minimale au sol et aux structures voisines. L’outil employé doit être efficient (notamment vis-à-vis de la pénétration), et économique.

Figure I.8. Exemples de foreuses utilisées.

Pour enlever le sol détruit du fond du trou pendant la réalisation du forage, on injecte de l’eau ou de l’air sous pression. Par ailleurs, l’utilisation de la boue de bentonite pour stabiliser et nettoyer le forage altère le frottement dans l’interface coulis-sol en créant un film d’argile dans l’interface (FHWA, 2005).

I.4.2. Méthodes de scellement

Le matériau de scellement doit servir à de multiples objectifs :

 transférer les charges imposées entre le renforcement et le sol environnant ;

 protéger le renforcement métallique de la corrosion ;

 étendre la section utile du micropieu au-delà des limites du forage par infiltration, densification et/ou fissuration.

L’injection de coulis ou de mortier sous pression plus ou moins élevée vise à améliorer voire augmenter le frottement entre le micropieu et le sol dans l’interface, augmentant ainsi la capacité portante du micropieu. La pression d’injection cause souvent un recompactage du sol au voisinage du forage et agrandit le diamètre effectif du micropieu (FHWA, 2005).

(a) Matériaux de scellement

Le matériau le plus utilisé pour le scellement des micropieux est le coulis de ciment. La composition de base du coulis est un mélange de ciment (C) et d’eau (E), réalisé le plus souvent à l’aide d’un turbo-malaxeur, ce qui permet d’assurer une défloculation efficace des grains de ciment. On y ajoute parfois un adjuvant superplastifiant. Le ciment doit être compatible avec les conditions d’agressivité du sol et des eaux souterraines. De même, le coulis de ciment doit être conçu pour fournir une grande résistance à la compression, mais il doit aussi être injectable. Dans la pratique, il faut faire varier le dosage du ciment afin d’obtenir les caractéristiques souhaitées. Normalement, le dosage (rapport C/E) varie entre 2 et 2,5 (E/C : 0,4-0,5) (FHWA, 2005). La figure I.9 montre l’influence du rapport E/C sur la résistance en compression du coulis durci.

Figure I.9. Effet du rapport E/C (Eau/Ciment) sur la résistance à la compression du coulis de ciment (Littlejohn & Bruce, 1977)

Par ailleurs, quelques études ont montré qu’il est possible également d’utiliser d’autres types de matériaux pour le scellement des fondations, tel que la résine expansive de polyuréthane (Valentino & Stevanoni, 2010; Valentino, et al., 2013).

(b) Scellement « gravitaire »

L’expression « scellement gravitaire » désigne en fait plusieurs méthodes. Celles-ci ont en commun le fait que le coulis, après mise en œuvre et avant prise du ciment, présente une surface libre. En revanche, les performances disponibles en matière de frottement latéral, pour un contexte géotechnique donné, ne sont pas les mêmes avec toutes ces méthodes.

Le dosage en ciment du coulis de scellement (rapport C/E) est voisin de 2; l’utilisation d’un turbo-malaxeur ou d’un superplastifiant permet de le porter à 2,5 ou plus.

Remplissage depuis l’orifice du forage

Le forage, tubé ou non, est rempli de coulis déversé depuis la tête :

 dans le cas d’un forage nu, l’armature est insérée après remplissage; l’essorage et la décantation conduisent à un abaissement ultérieur de l’arase du coulis et un complément est déversé un peu plus tard ;

 dans le cas d’un forage tubé, on déverse le coulis avant de remonter le tube; l’armature est insérée après déversement du coulis, soit avant, soit après l’extraction du tube (la deuxième option risque fort de conduire à des pollutions du coulis par des matériaux détachés des parois du forage); un complément de coulis est à déverser avant la fin de l’extraction du tube (qui s’accompagne d’un abaissement de l’arase du coulis); un autre complément compensera un peu plus tard les effets de l’essorage et de la décantation.

Remplissage par un tube atteignant le fond du forage

Dans cette méthode, le tube d’injection, par lequel transite le coulis pour atteindre la base du forage, peut être constitué par l’armature elle-même ou être un tube indépendant, abandonné ou récupéré (cf. figure I.13). Une fois réalisée la première phase d’injection, il est nécessaire de réaliser une compensation d’essorage. Cela, peut être réalisé par décantation par déversement en tête ou en faisant une deuxième phase d’injection. La deuxième manière de procéder est recommandée, car l’état de contraintes dans le coulis est très supérieur à un état hydrostatique or cet état conditionne directement la résistance au cisaillement de l’interface sol/micropieu (FOREVER, 2004).

(c) Injection globale unitaire (IGU)

Dans cette méthode, le coulis de remplissage du forage, appelé « coulis de gaine » est mis en place selon une méthode gravitaire. Le micropieu est équipé d’un tube à manchettes (ou autres clapets) comportant un petit nombre de manchettes (généralement 3 ou 4) noyé dans le coulis de gaine. Après prise du coulis de gaine, mais sans attendre qu’il ait acquis une grande résistance en traction, on injecte un coulis complémentaire en tête du tube à manchettes; la pression d’injection fait « claquer » le coulis de gaine durci et le coulis d’injection pénètre « en force » dans le sol.

(d) Injection répétitive et sélective (IRS)

Cette méthode s’inspire directement des technologies d’injection des sols meubles. Le micropieu est équipé d’un tube à manchettes comprenant un bon nombre de manchettes et scellé dans le coulis de gaine. Un obturateur double permet de sélectionner une manchette pour procéder à l’injection à un niveau choisi. Après prise du coulis de gaine, du coulis est injecté sous forte pression par cette manchette : le coulis de gaine est alors « claqué », puis le coulis complémentaire pénètre dans le sol. Après avoir « traité » une manchette, on passe à une autre. En principe, on peut réutiliser à volonté les manchettes pour procéder à plusieurs injections successives. L’IRS conduit à l’obtention d’un frottement latéral généralement élevé par rapport aux caractéristiques mécaniques des sols d’ancrage.

Le rapport C/E des coulis d’injection employés dans les procédés d’injection globale unitaire (IGU) et d’injection répétitive et sélective (IRS) est généralement voisin de 2.

(e) Injection répétitive simultanée

Le principe de ce type d’injection consiste à équiper le micropieu d’un tube de petit diamètre (centimétrique), muni de manchettes, et se retournant à la base du micropieu de telle sorte que les deux extrémités sortent du forage. Après durcissement du coulis de gaine, mis en place à l’aide d’un autre tube débouchant à la base, on injecte du coulis par le tube en boucle jusqu’à constater la purge de l’air contenu dans le tube, puis on obture l’extrémité de sortie de l’air et puis on injecte le coulis par les manchettes. Pour que la plupart des manchettes soient le siège d’un passage du coulis, il faut que la réinjection ait lieu assez tôt afin que la résistance en traction du coulis de gaine soit sensiblement inférieure à la plus petite valeur de la pression limite pressiométrique des sols de la zone de scellement.

I.4.3. Armatures métalliques des micropieux

En fonction de la disponibilité, du prix, du type de sol et des charges appliquées sur les micropieux, l’armature de ceux-ci peut être composée par une barre coaxiale de forage (type Dywidag, Williams…), par des barres creuses (Diwi Drill, Ischebeck Titan… cf. figure I.10), par un groupe de barres (figure I.11.a), par des profilés en acier de construction, par un tube « pétrolier » ou par un tube d’autoforage (figure I.11.b).

Dans le cas d’armatures autoforeuses, le dosage (rapport C/E) est voisin de 1 pendant la majeure partie du forage. Toutefois, il est augmenté jusqu’à 1,5 à 2 pour le dernier mètre de forage, puis il est porté à une valeur comprise entre 2 et 2,5 pour l’injection complémentaire finale. La valeur de C/E est adaptée en fonction de la nature des sols (dans un sable, C/E est choisi plus petit que dans une argile, sauf pour l’injection finale).

Figure I.10. Section d’un micropieu Ischebeck « Titan » déterré

(a) (b)

Figure I.11. a) Groupe de barres en acier H.A. pour béton armé ou en acier précontraint et b) tube pour autoforage