1. DOMAINE DU RENFORCEMENTS DES SOLS22. LES COLONNES BALLASTÉES2

1. DOMAINE DU RENFORCEMENTS DES SOLS 2

2. LES COLONNES BALLASTÉES 2

2.1 Méthode d’exécution 2

2.2 Domaines d’application 3

2.3 Mécanisme de renforcement 3

2.3.1 Comportement d’une colonne isolée 3

2.3.2 Paramètres du projet 3

2.3.3 Calculs du tassement d’un sol renforcé par des colonnes ballastées 3

3. LES TIRANTS D’ANCRAGE 4

3.1 Technologie et définitions 4

3.2 Domaines d’application 5

3.3 Différences de comportement des tirants passifs et des tirants actifs 5

3.4 Protection contre la corrosion 5

3.5 Mise en service des tirants précontraints et essais de contrôle 6

3.6 Dimensionnement de la longueur de scellement des tirants 6

4. COLONNES INJECTÉES PAR JET SOUS HAUTE PRESSION (JET GROUTING) 9

4.1 Principe et mise en œuvre des colonnes de « jet grouting » 9

4.2 Domaines d’application 12

4.3 Essais, contrôles, vérification 12

1. Domaine du renforcements des sols

Les renforcements de sol traités dans ce chapitre concernent l’amélioration des sols avec inclusions.

On étudie successivement, sans que ce soit exhaustif, les colonnes ballastées, les tirants d’ancrage et le « jet grouting ».

2. Les colonnes ballastées

Elle comprend une première phase de forage suivie d’une seconde phase de constitution et de compactage de la colonne (Fig.1). La formation de la colonne est effectuée à la remontée du tube en compactant des agrégats calcaires ou silico-calcaires 15/30 à 20/40 ou plus.

Les techniques par voie sèche, par vibro-refoulement, sont plus utilisées en France que les techniques par voie humide, par vibro-substitution . Par voie sèche la profondeur du traitement est limitée à 15m.

Une couche de forme de 0,50m à 1m mise en place au-dessus des colonnes assure le transfert des charges superficielles vers les colonnes.

Fig.1 Phases d’exécution d’un colonne ballastée (doc. Keller)

2.2 Domaines d’application

Le procédé s’applique aux sols fins de faible cohésion : vases , argiles, limons, mais on verra qu’ il faut que le terrain ait quand même une certaine résistance ; et la technique ne convient pas pour des épaisseurs importantes de tourbes ou d’ argiles trop compressibles, dans ce cas il est nécessaire de rigidifier les colonnes en les injectant.

Les objectifs sont d’améliorer la portance du sol, de limiter les tassements, sans les annuler complètement, d’accélérer la consolidation, voir d’assurer la stabilité de versants.

Les colonnes ballastées sont utilisées pour améliorer les plate formes des fondations superficielles, en particulier pour des entrepôts industriels, des soutènements en remblai, des stations d’épuration, pour rendre le sol non liquéfiable.

2.3 Mécanisme de renforcement

2.3.1 Comportement d’une colonne isolée

La stabilité de la colonne composée de matériaux granulaires étant sans cohésion sa stabilité est assurée par l’effet triaxial du terrain encaissant. De plus la colonne peut se rompre par écrasement et par défaut de capacité portante.

La colonne étant plus rigide que le sol encaissant le report des charges est plus important sur les colonnes, d’où une augmentation de la portance du sol renforcé et une réduction du tassement.

2.3.2 Paramètres du projet

Les paramètres du projet sont le diamètre de la colonne, le maillage, l’angle de frottement ϕ’ de la colonne, la résistance du sol encaissant, le rapport entre la contrainte dans la colonne et le sol et la compatibilité entre les déformations de la colonne et du sol. Le diamètre de la colonne varie suivant le matériel et le consistance du sol de 0,50m à 1m, avec des valeurs de projet souvent prises de 0,70 à 0,80m. Le maillage est fonction des charges maximales apportées par le dallage, les semelles filantes, les appuis isolés.

La contrainte de rupture est égale à qu = σh . tan² (π/4 + ϕ’col / 2 ), avec σh égal à la pression limite pressiométrique pl moyennée sur toute la hauteur de la colonne et ϕ’col pris généralement égal à 38°. Le DTU 13.2 ( en révision) impose un coefficient de sécurité de 2 sur qu pour calculer la contrainte « admissible » qa, elle – même limitée à 0,8 MPa.

2.3.3 Calculs du tassement d’un sol renforcé par des colonnes ballastées

Le calcul des tassements peut se faire suivant plusieurs méthodes, la méthode souvent utilisée en France est la méthode de Priebe. Dans le cas d’un maillage infini, on définit, avec les notations de Priebe, un facteur d’amélioration n qui est fonction de ϕ’col , du rapport entre la surface de la maille et la section de la colonne F/Fs et du rapport entre les modules d’élasticité de la colonne et du sol Es /EB. Le tassement du sol renforcé est alors égal au rapport du tassement du sol vierge par n, affecté d’un coefficient correcteur de profondeur. Une méthode plus moderne de calcul des tassements est l’utilisation de la méthode des éléments finis en axisymétrique (2D) qui permet de faire un couplage hydromécanique en tenant compte de la consolidation radiale apportée par les colonnes.

Pour les cas de semelles filantes et carrées Priebe a proposé des abaques permettant de passer de la valeur du tassement dans le cas du maillage infini aux tassements sous des semelles filantes ou carrées.

3. Les tirants d’ancrage

Les tirants à plaque qui sont mis en place à la construction des remblais, généralement derrière les rideaux de palplanches. Ils sont constitués de plaques isolées ou filantes qui travaillent par butée et nécessitent donc un déplacement important.

Les tirants à bulbe de coulis de ciment injecté dans le sol en place ( Fig.2). Leurs techniques d’exécution ont été décrites au chapitre 2, paragraphe 3.

Fig.2 Chantier de tirants d’ancrage (doc. Soletanche- Bachy)

Pour les tirants à bulbe on distingue la partie libre sans liaison avec le terrain et la partie scellée qui transfert l’effort au terrain par frottement latéral tout le long du bulbe ( Fig.3).

Fig.3 Schéma d’un tirant

3.2 Domaines d’application

Les tirants à plaque sont généralement utilisés pour les rideaux de palplanches. Les tirants à bulbe scellé dans le terrain en place sont généralement précontraints. Ils sont associés le plus souvent à la stabilité des parois : parois moulées, parois berlinoises. Ils sont également employés pour équilibrer les sous pressions sous un radier. Enfin ils s’appliquent au renforcement de stabilité de pentes et à des reprises en sous –œuvre.

3.3 Différences de comportement des tirants passifs et des tirants actifs

Un tirant passif, sans précontrainte initiale, nécessite des déplacements importants pour équilibrer les efforts transmis par la structure.

Un tirant, avec précontrainte initiale, est immédiatement actif et permet de limiter les déplacements de l’ouvrage, sans pouvoir évidemment les supprimer.

3.4 Protection contre la corrosion

Les tirants d’ancrage doivent être protégés contre la corrosion, pour les tirants à plaque on prendra généralement une épaisseur sacrifiée à la corrosion, pour les tirants d’ancrage à bulbe,

précontraints, la protection sera d’autant plus sévère (Fig.4) que le sol est agressif et la durée de vie de l’ancrage longue (chapitre 2, paragraphe 3)

Fig.4 Dispositif de la protection de classe P2 (TA 95)

3.5 Mise en service des tirants précontraints et essais de contrôle

La mise en service de chaque tirant comporte une traction d’épreuve Te, avec un essai de fluage, préalablement à l’opération de blocage.

Tous les tirants d’ancrage sont soumis à cette traction d’épreuve (TA 95) Le tableau 1 indique les procédures d’essai et les critères de réception.

Tableau 1. Essais à la mise en tension (d’après le TA 95) ESSAIS à la MISE en TENSION

Tirant provisoire Te = 1,15 Ts

Tension d’essai Te

Ts : traction de service Tirant permanent Te = 1,25 Ts

Terrain non fluant 12 min

Durée

Terrain fluant 22 min

Critères de réception Terrain non fluant Allongement < 1,5mm entre 2 et 12 min

Terrain fluant Allongement < 1mm entre 6 et 22 min

Les essais de contrôle sont obligatoires, ils permettent de vérifier statistiquement la qualité de l’exécution des tirants du chantier (TA 95)

3.6 Dimensionnement de la longueur de scellement des tirants

La capacité portante des tirants d’ancrage à bulbe est généralement déterminée grâce à l’expérience de l’entreprise. Dans le cas de nouveaux types de tirants ou de terrains difficiles à injecter il est obligatoire de procéder à des essais préalables qui permettent de déterminer, comme pour les essais de pieux, la charge de rupture Tu et la charge critique de fluage Tc. On en déduit la traction de service Ts.

Pour les tirants permanents : Ts = min {0,66 Tu , 0,8 Tc} Pour les tirants provisoires : Ts = min {0,66 Tu , 0,9 Tc}

A défaut d’essais préalables, il est obligatoire de faire des essais de conformité, en début de chantier dans le but de vérifier la validité des hypothèses de dimensionnement.

Pour ces 2 types d’essai les tirants ne sont pas réutilisables.

Enfin, on utilisera avec prudence les abaques de pré dimensionnement qui sont annexés au TA 95 Tableaux 2 et Fig.5)

Tableau 2 .Valeur du coefficient α pour le calcul du diamètre du bulbe (TA 95)

L’utilisation des abaques est particulièrement simple.

Le diamètre moyen du bulbe Ds est égal au diamètre de l’outil de forage multiplié par le coefficient α qui est fonction du type

d’injection et de la nature du sol. Connaissant la longueur du bulbe Ls on en déduit la surface latérale sur laquelle s’applique le frottement latéral moyen qs indiqué par les abaques (ex : sable et gravier). On peut donc déterminer la capacité portant ultime Tu du tirant d’ancrage.

Fig 5. Abaque pour la détermination de qs

4. Colonnes injectées par jet sous haute pression (jet grouting)

Le jet grouting consiste à exécuter in situ des colonnes de béton de sol (Fig.6) par un procédé hydrodynamique qui combine :

¾ la déstructuration du terrain par un jet à très grande vitesse ;

¾ l’extraction d’une partie du terrain jusqu’à la surface par les fluides du jet ;

¾ l’incorporation au reste du terrain déstructuré d’un coulis sous pression.

La mise en œuvre comprend les 2 phases suivantes (Fig.7):

¾ forage en petit diamètre (100 à 200mm) sur la hauteur du sol à traiter ;

¾ remontée du train de tiges avec mise en rotation totale (colonnes) ou avec une petite rotation ( panneau), en déstructurant le terrain par un jet à haute pression et en incorporant un coulis de ciment ; les volumes en excès de sol et de coulis (spoil) doivent ressortir librement à la surface du sol.

Fig.7 Phases d’exécution d’une colonne de « jet grouting » (doc. Sefi)

On utilise des jets simples, doubles ou triples (Fig.8)

Fig.8 Schémas des différents types de jets

Pour le jet simple, le coulis assure les 3 fonctions de déstructuration, extraction et incorporation.

Pour le jet double le coulis est entouré par un jet d’air coaxial qui permet de mieux déstructurer et extraire le sol. Enfin pour le jet triple la fonction de déstructuration est assurée par un jet d’eau entourée d’un jet d’air et la fonction d’ incorporation par un jet de coulis.

Le diamètre des colonnes dépend du type de terrain, du nombre de jets et de la puissance des

4.2 Domaines d’application

Le procédé s’applique à des terrains difficilement injectables par des injections d’imprégnation classiques. Il convient pour des sols granulaires jusqu’aux argiles.

Les domaines d’application principaux sont :

¾ reprises en sous œuvre de fondations existantes ;

¾ fondations d’appuis isolés sur sols compressibles ;

¾ soutènement par colonnes sécantes ;

¾ pré soutènement de tunnel à l’avancement par voûte parapluie;

¾ enceinte pour excavation de puits ;

¾ radier injecté ;

¾ renforcement du terrain dans la masse par inclusion de colonnes de « jet grouting »….

4.3 Essais, contrôles, vérification

Il existe actuellement une norme européenne d’exécution NF EN 12716 concernant le « jet grouting ». On réalise généralement des plots d’essai (Fig.6) pour caler les paramètres de la méthode On peut alors mesurer sur carotte la résistance et le module du béton de sol de la colonne, qui dépend du dosage en ciment et du type de sol. La détermination de la capacité de la colonne est réalisé par un essai de chargement qui peut être instrumenté.

En cours d’exécution les paramètres de perforation et d’injection sont enregistrés en continu. On doit vérifier que le « spoil » remonte librement à la surface. On suit obligatoirement les déplacements éventuels des structures existantes proches des travaux de « jet grouting ».

Les contrôles après exécution ont pour objectifs de vérifier la continuité des colonnes et leurs caractéristiques mécaniques.