Etude statique et dynamique des sols renforcés par les inclusions rigides

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Mohamed Seddik Benyahia Jijel

Faculté des sciences et de la Technologie

Département Génie Civil et Hydraulique

MÉMOIRE DE FIN D’ÉTUDES

En vue de l’obtention du diplôme de Master académique en travaux publics

Option : voies et ouvrages d’art

Thème

Promotion 2018 Soutenue le 28/06/2018 devant le jury composé de :

- Dr. MESSIOUD Salah, Rapporteur

- Dr. LAOUCHE Mohamed, Examinateur

- Mr. BELLEMRABET Abdelouahab, Président Présenté par :

LEFZA Ahmed FANIT Chahrazed

Etude statique et dynamique des sols

renforcés par les inclusions rigides

R emerciement

N ous tenons tout d’abord à remercier Dieu tout puissant qui nous a donné la santé, le courage et la patience pour mener à bien ce modeste travail.

N ^ous exprimons toutes nos profondes reconnaissances à notre encadreur Monsieur MESSIOUD SALAH pour le temps qu’ils nous ont

consacré tout au long de notre projet

N os remerciements vont aussi aux membres du jury qui nous fait l’honneur d’accepter de lire et de juger ce mémoire

N ous souhaitons exprimer notre profonde gratitude à tous les enseignants de département de génie civil

E n fin nous remercions tous ceux qui ont contribué de loin ou prés à la

réalisation de ce modeste travail.

Dédicaces

Merci Allah de m'avoir donné la capacité d'écrire et de réfléchir, la force d'y croire, la patience d'aller jusqu'au bout.

Je dédié ce Modeste travail : A mon coup de cœur très chère mère

A mon cher Père

À MES CHERS ET ADORABLE FRERES ET SŒURS Lokman, Taha, Chaima, Ayoub.

Mes dédicaces vont aussi à tous les membres de la famille Lefza et Mezhoud.

À mon cher binôme et amie Chahrazed et à toutes sa famille.

À mes très chers amis : Omar, Amir, Salah, dehman, sinsi, lotfi.

À mes voisins et mes collègues de la promotion d’ingénieur en génie civil 2018 et à toutes mes amis de l’université de Jijel.

À toutes les personnes qui ont participé à l’élaboration de ce travail et à tous ceux qui sont proches de mon cœur et qui m’encouragent à donner le meilleur en moi.

Ahmed

Dédicace

Je dédie ce modeste travail à :

À la lumière de mes jours, la source de mes efforts, la flamme de mon cœur et mon bonheur ; ma chère mère.

À l’homme de ma vie, mon exemple éternel, mon soutien moral, celui qui s’est toujours sacrifié pour

me voir réussir, mon cher père.

À mon très cher binôme et amie Ahmed, pour tous les moments de joies et de peines qu’on a passées ensemble.

Aux personnes dont j’ai bien aimé la présence dans ce jour, à Mes chères frères Adel et Djaoued et mes chéres sœurs Assma et Rokiya.

À mes petites enfants Bassem et Ziyed.

Aux personnes qui m’ont toujours aidé et encouragé, qui étaient toujours à mes cotes, et qui mont accompagnaient durant mon chemin

d’études, à mes proches amies Naziha, Khawla, Dalal, Nassima, Wafa et Wissam.

À Mes chères cousines Wissam, Tita, Karima, Mimi, Donya et Rima et à toute la famille Fanit.

À toutes mes amies et mes collègues de la promotion d’ingénieur en génie civil 2018.

Chahrazed

Cette étude analyse l'effet de l'interaction sol-inclusions-remblai sur le comportement des massifs des sols renforcés par les inclusions rigides. Des modèles numériques tridimensionnels en éléments finis ont été proposés pour l'analyse de l'effet de l'interaction sol structure sur la réponse statique et dynamique des systèmes sol-inclusions-remblai et sol-inclusions-matelas pendant les phases de construction de remblai. La réponse en déplacement est obtenue en effectuant le produit de la fonction de la force excitatrice par la fonction de transfert en amplitude du déplacement. Les résultats obtenus sont présentés en termes des tassements et des contraintes sous l'effet des phases de construction de remblai dans le cas statique et de type sollicitation effort normal, effort tranchant et moment fléchissant sous l'effet d'excitation sismique.

Mots clés : Sol Compressible, Remblai, Inclusion Rigide, Elément Fini, sismique.

This study analyzes the effect of soil-inclusions-embankment interaction on soil mass behavior reinforced by rigid inclusions. A three-dimensional finite element numerical models have been proposed for the analysis of the effect of soil structure interaction on the static and dynamic response of soil-inclusions-embankment and soil-inclusions-granulate earth platform systems during embankment construction phases. The displacement response is obtained by performing the product of the function of the exciter force by the displacement amplitude transfer function. The results obtained are presented in terms of settlements and constraints under the effect of the embankment construction phases in the static case and of the type normal force stress, shear force and bending moment under the effect of seismic excitation.

Key-words: Soft Soil, Embankment, Rigid Inclusion, Finite Element, seismic.

صخلم :

ريثأت ةساردلا هذه للحت ا تلاعافت

ماوك - قيزاوخ - كولس ىلع ةبرت ا

ةبرتل لا ةززعم ب ةبلصلا قيزاوخلا جذامن حارتقا مت .

ةيكيمانيدلاو ةنكاسلا ةباجتسلاا ىلع ةبرتلا ةينب لعافت ريثأت ليلحتل داعبلأا ةيثلاث ةددحملا رصانعلا نم ةبرت

- قوزاخ -

ةموك ةبرتلا يف عافت ريثأتو

ل ةبرت - قوزاخ - ةقبط ىصح نم ةحازلإا ةباجتسا ىلع لوصحلا متي .ءانب لحارم للاخ

اهيلع لوصحلا مت يتلا جئاتنلا .ةحازلإا عاستا لقن ةفيظو للاخ نم ريثملا ةوق ةفيظو جتنم ءادأ للاخ ضرعت

طوبه

ةبرتلا لااو تاداهج لاا ءانب لحارم ريثأت تحت ماوك

يف لا ةلاح لا ةوقلا داهجإ عونو ةتباث

،ةيداعلا صقلا ةوق و

ءانحنلاا

.ةيلازلزلا ةراثإ تحت تاملك ةيحاتفم : ةينيط ةبرت ةموك ,

بلص قوزاخ , يلازلز ,

.

Sommaire

Introduction générale ... 1

Chapitre I : Méthodes de renforcement des sols I.1. Introduction ... 4

I.2. Les méthodes de renforcements des sols ... 4

I.2.1. Pré-chargement ... 4

I.2.2. Accélération de la consolidation par drains verticaux ... 5

I.2.3. Compactage dynamique ... 6

I.2.4. Colonnes ballastées ... 6

I.2.5. Inclusions rigides ... 7

I.2.6. Vibrocompactage (ou vibraoflottation) ... 8

I.2.7. Inclusions par mélange d’un liant avec le sol ... 8

I.2.8. Géosynthétiques ... 8

I.3. Conclusion... 9

Chapitre II : Renforcement des sols par inclusions rigides II.1. Introduction ... 10

II.2. renforcement des sols par inclusions rigides ... 10

II.2.1. Principe et mode de fonctionnement ... 10

II.2.2. Les inclusions rigides ... 12

II.2.2.1. Définition ... 12

II.2.2.2 Réseau d’inclusion ... 12

II.2.2.3. Classification des inclusions rigides ... 13

II.2.2.4. Le mode de fonctionnement des inclusions rigides ... 16

II.2.2.5. Domaine d’application des inclusions rigides ... 20

II.2.3 matelas de transfert de charge ... 21

II.2.4. Le géosynthétique ... 22

II.2.5. Caractéristiques communes des ouvrages renforcés par inclusions rigides ... 25

II.3. Conclusion ... 26

Chapitre III : Dimensionnement des inclusions rigides III.1. Introduction ... 27

III.2. Méthodes de dimensionnement des inclusions rigides ... 27

III.2.1. Méthodes analytique ... 27

III.2.1.1. Le concept de Marston & Anderson (1913) ... 28

III.2.1.2. Méthode de Terzaghi (1943) ... 30

III.2.1.3. Méthode de Carlsson (1987) ... 31

III.2.1.4. Méthode de Combarieu ( 1 9 8 8 ) ... 32

III.2.1.5. Méthodes basées sur des modèles analytiques de voute ... 33

III.2.1.6. Le concept de Guido et al. (1987) ... 35

III.2.1.7. Modèle analytique de Cao et al. (2006) ... 36

III.2.1.8. Méthode de naughton ... 38

III.2.2. Méthodes numériques ... 39

III.2.3. Méthodes de calcul et dimensionnement en conditions dynamiques ... 40

III.2.3.1. Approche fondée sur le modèle de Winkler ... 41

III.2.3.2. Méthode des éléments finis et des éléments de frontière ... 42

III.2.3.3. Les approches par homogénéisation ... 44

III.3. Conclusion ... 46

Chapitre IV : Modélisation numérique des phases de construction de remblai posé sur un massif de sol renforcé par les inclusions rigides IV.1. Introduction ... 47

IV.2. Présentation de l’étude numérique ... 47

IV.3. Présentation des modèles numériques ... 48

IV.3.1. Géométrie et conditions aux limites ... 48

IV.4. Etude d’une cellule élémentaire ... 50

IV.4.1. Résultats et discussion ... 53

IV.4.2. Evaluation des tassements ... 53

IV.4.2.1. Influence de la présence des inclusions rigides dans le massif du sol compressible ... 53

IV.4.2.2. Influence de la profondeur de l’inclusion sur le tassement du sol renforcé par les inclusions rigides ... 55

IV.4.2.3. Influence de la mise en place des couches de remblai sur le tassement du sol renforcé avec les inclusions rigides ... 57

IV.4.2.4. Influence de diamètre sur le comportement de système de renforcement (SIRR) ... 58

IV.4.2.5. Influence de la variation de l’entraxe sur le comportement de système de renforcement (SIRR) ... 60

IV.4.2.6. Influence de rigidité de matelas de transfert sur le tassement de l’inclusion et de remblai ... 61

IV.4.3. Evaluation des contraintes ... 63

IV.4.3.1. Influence de la mise en place des couches de remblai sur les contraintes et le transfert de charge ... 64

IV.4.3.2. Influence de diamètre sur la variation des contraintes (transfert de charge) 66 IV.4.3.3. Influence de la rigidité de matelas de transfert de charge sur les contraintes67 IV.4.3.4. Influence de l’entraxe sur la variation des contraintes verticales (transfert de charge) ... 68

IV.5.Etude de l'effet du groupe des inclusions rigides ... 69

IV.5.1. Evaluation des tassements ... 71

IV.5.1.1.A l’interface sol-remblai ... 71

IV.5.1.2.Dans les inclusions ... 73

IV.5.1.3. Influence de diamètre sur le comportement de système de renforcement .... 75

IV.5.1.4. Influence de rigidité de matelas de transfert sur le tassement de l’inclusion et

de remblai ... 76

IV.5.1.5. Influence de l’entraxe sur le comportement de système de renforcement .... 77

IV.5.2. Evaluation des contraintes ... 79

IV.5.2.1.A l’interface sol-remblai ... 79

IV.5.2.2.Dans les inclusions ... 80

IV.5.2.3. Influence de diamètre sur la variation des contraintes ... 82

IV.5.2.4. Influence de la rigidité de matelas de transfert de charge sur les contraintes83 IV.5.2.5. Influence de l’entraxe sur la variation des contraintes verticales (transfert de charge) ... 84

IV.6. Conclusion ... 85

Chapitre V : Réponse dynamique de système sol-inclusions-matelas sous excitation sismique V.1. Introduction ... 86

V.2. Modélisation numérique de système sol-fondation ... 87

V.3. Présentation des modèles numériques ... 91

V.3.1 Caractéristiques de modèle ... 92

V.3.2. Accélération sismique utilisé ... 94

V.3.3. Interaction cinématique ... 95

V.3.3.1 Moment fléchissant, effort normal et effort tranchant dans les inclusions .... 95

V.3.3.2. Influence de la rigidité de matelas de transfert de charge sur la sollicitation 96 V.3.4. Analyse croisée ... 98

V.4. Conclusion ... 100

Conclusion générale et perspectives ... 101 Références Bibliographiques

Annexe

Liste des figures

Figure I.1 : Techniques de pré-chargement ... 5

Figure I.2 : Système des drains verticaux. ... 6

Figure I.3 : Exemple de chantier de compactage dynamique. ... 6

Figure I.5 : Colonnes ballastées... 7

Figure I.5 : Principe du renforcement par inclusions rigides ... 7

Figure I.6 : Mode opératoire de vibroocompactage. ... 8

Figure I.7 : La fonction de renforcement ... 9

Figure II.1 : Principe de renforcement par des inclusions rigides. ... 11

Figure II.2 : Réseau d’inclusions soumis à un chargement d’après Berthelot et al. (2003). 11 Figure II.3 : Mécanismes de transfert de charge (Berthelot et al. 2003). ... 12

Figure II.4 : Différents types de maillages pour les réseaux d’inclusions rigides…...13

Figure II.5 : Exemple de profil de tassement du sol et de l’inclusion rigide dans une zone traitée. ... 17

Figure II.6 : bilan des efforts sur une inclusion, d’après combarieu (1988). ... 18

Figure II.7 : incidence de la densité d’inclusions rigides. Source keller ... 19

Figure II.8 : Domaines d’application. ... 21

Figure II.9 : Géotextile. ... 23

Figure II.10 : Différent types de géogrilles ... 23

Figure II.11 : Différents types de renforts horizontaux ... 24

Figure II.12 : Effet membrane ... 25

Figure III.1 : Configuration du tube enterré étudiée par Marston & Anderson (1913). ... 29

Figure III.2 : Méthode de Terzaghi (1943) ... 30

Figure III.3 : Tranche de sol de section cruciforme, cas 3D ... 31

Figure III.4 : Méthode de Carlsson (1987), d’après Van Eekelen. ... 32

Figure III.5 : Extension de la méthode de Carlsson(1987) proposée par Van Eekelen(2001).

... 32

Figure III.6 : Approche de Combarieu (1988). ... 33

Figure III.7: Dômes hémisphériques. ... 34

Figure III.8: Modèle de voûtes semi cylindriques de Hewlett et Randolph (1988). ... 34

Figure III.9: modèle de Guido et Al (1987). ... 35

Figure III.10: plateforme de transfert de charge d’après Collin et al. (2005). ... 36

Figure III.11: Modèle analytique de Cao et al. (2006). ... 36

Figure III.12: Géométrie de forme sphérique de la voûte (d’après Naughton, 2007). ... 38

Figure III.13: influence de l’angle de frottement sur le coefficient C (d’après Naughton, 2007). ... 39

Figure III.14: Modèle 3D – Schéma de calcul sur ¼ de plot (Laurent et al.2003). ... 40

Figure III.15 : Quart modèle de sysytème sol-inclusion-remblai (Messioud et al. 2016). .. 43

Figure III.16: Schéma de modèle simple pour groupe de pieux (a) flottant (b) encastré (Taherzadeh et al. 2002) ... 44

Figure III.17: Milieu renforcé par inclusions linéaires ... 46

Figure IV.1 : Géométrie de modèle globale (plot de 30 inclusions). ... 49

Figure IV.2: Maillage et cellule élémentaire pour la modélisation numérique. ... 49

Figure IV.3 : Modèle numérique d’une cellule élémentaire. ... 50

Figure IV.4 : Tassement du sol renforcé et non renforcé au niveau de l’inclusion en fonction des phases. ... 53

Figure IV.5 : Tassement du sol renforcé et non renforcé à la base de remblai selon l’axe xx’ en fonction des phases. ... 54

Figure IV.6 : Tassement du sol renforcé et non renforcé à la base de remblai selon l’axe yy’ en fonction des phases. ... 54

Figure IV.7 : Variation de tassement d’une inclusion en fonction des phases pour le sol renforcé. ... 55

Figure IV.8 : tassement en fonction de profondeur de l’inclusion. ... 56

Figure IV.9 : tassement selon l’axe xx’. ... 57

Figure IV.10 : tassement selon l’axe yy’. ... 57

Figure IV.11 : Tassement en fonction de diamètre de l’inclusion selon l’axe xx’. ... 58

Figure IV.12 : Tassement en fonction de diamètre de l’inclusion selon l’axe yy’. ... 58

Figure V.13 : Tassement en fonction de profondeur pour des différents diamètres de l’inclusion. ... 59

Figure V.14 : Tassement de la phase 07 en fonction d’espacement selon l’axe xx’. ... 60

Figure IV.15 : Tassement de la phase 07 en fonction d’espacement selon l’axe yy’. ... 60

Figure IV.16 : Tassement de la phase 07 selon la profondeur de l’inclusion en fonction d’espacement. ... 61

Figure IV.17 : Tassement en fonction de module d’élasticité selon l’axe xx’. ... 62

Figure IV.18 : Tassement en fonction de module d’élasticité selon l’axe yy’. ... 63

Figure IV.19 : Variation des contraintes en fonction des phases selon l’axe xx’. ... 64

Figure IV.20 : Variation des contraintes en fonction des phases selon l’axe yy’. ... 64

Figure IV.21 : Contraintes en fonction de profondeur de l’inclusion. ... 65

Figure IV.22 : Contraintes verticales en fonction de diamètre de l’inclusion selon l’axe xx’. ... 66

Figure IV.23 : Contraintes verticales en fonction de diamètre de l’inclusion selon l’axe yy’. ... 66

Figure IV.24 : Contraintes verticales en fonction du module d’élasticité selon l’axe xx’ .. 67

Figure IV.25 : Contraintes verticales en fonction du module d’élasticité selon l’axe yy’ .. 67

Figure IV.26 : Contraintes verticales de la phase 07 en fonction d’espacement selon l’axe xx’. ... 68

Figure IV. 27 : Contraintes verticales de la phase 07 en fonction d’espacement selon l’axe yy’. ... 68

Figure IV.28 : Modèle numérique de calcul du groupe des inclusions rigides. ... 70

Figure IV.29 : Vue en plan du quart de modèle globale. ... 70

Figure IV.30 : Tassement à la base de remblai selon l’axe xx’sans renforcement. ... 71

Figure IV.31 : Tassement à la base de remblai selon l’axe xx’. ... 71

Figure IV.32 : Tassement à la base de remblai selon l’axe yy’ sans renforcement. ... 72

Figure IV.33 : Tassement à la base de remblai selon l’axe yy’. ... 72

Figure IV.34 : Tassement au niveau de l’inclusion A. ... 73

Figure IV.35 : Tassement au niveau de l’inclusion B. ... 74

Figure IV.36 : Tassement au niveau de l’inclusion C. ... 74

Figure IV.37 : Tassement de la phase 07 en fonction de diamètre de l’inclusion selon l’axe xx’. ... 75

Figure IV.38 : Tassement en fonction de diamètre de l’inclusion selon l’axe yy’. ... 76

Figure IV.39 : Tassement en fonction de module d’élasticité selon l’axe xx’. ... 76

Figure IV.40 : Tassement en fonction de module d’élasticité selon l’axe yy’. ... 77

Figure IV.41 : Tassement de la phase 07 en fonction d’espacement selon l’axe xx’. ... 77

Figure IV.42 : Tassement de la phase 07 en fonction d’espacement selon l’axe yy’ ... 78

Figure IV.43 : Contraintes verticales au niveau du remblai selon l’axe xx’. ... 79

Figure IV.44 : Contraintes verticales au niveau du remblai selon l’axe yy’. ... 79

Figure IV.45 : Contraintes verticales au niveau de l’inclusion A. ... 80

Figure IV.46 : Contraintes verticales au niveau de l’inclusion B. ... 80

Figure IV.45 : Contraintes verticales au niveau de l’inclusion C. ... 81

Figure IV.46 : Contraintes verticales en fonction de diamètre de l’inclusion selon l’axe xx’. ... 82

Figure IV.47 : Contraintes verticales en fonction de diamètre de l’inclusion selon l’axe yy’. ... 82

Figure IV.48 : Contraintes verticales en fonction du module d’élasticité selon l’axe xx’. . 83

Figure IV.49 : Contraintes verticales en fonction du module d’élasticité selon l’axe yy’. . 83

Figure IV.50 : Contraintes verticales de la phase 07 en fonction d’espacement selon l’axe xx’. ... 84

Figure IV.51 : Contraintes verticales en fonction d’espacement selon l’axe yy’. ... 84

Figure V.1 : Système sol-structure. ... 87

Figure V.2a : Modèle de calcul sol-inclusions-matelas-dalle. ... 91

Figure V.2b : Extrait d’un groupe des inclusions rigides de demi-modèle. ... 92

Figure V.3 : Signal synthétique de Nice. ... 94

Figure V.4: Sollicitations dans les inclusions rigides (1),(3) et (13). ... 95

Figure V.5: Influence de la rigidité de matelas sur Sollicitations ... 97

Figure V.6 : Disposition des inclusions. ... 98

Figure V.7 : Sollicitations dans les inclusions rigides dans le sens longitudinale ... 98

Figure V.8: Sollicitations dans les inclusions rigides dans le sens transversale ... 99

Liste des tableaux

Tableau II.1 : Principaux types d’inclusions rigides (Briançon 2002). ... 16

Tableau II.2 : Modules d’Young du sol et des matériaux de renforcement ... 26

Tableau IV.1 : Caractéristiques des couches compressibles ... 51

Tableau IV.2 : Caractéristiques des éléments de l’ouvrage ... 51

Tableau IV.3 : Les caractéristiques des modèle CJS intégré dans le code aster ... 52

Tableau V.1 : Caractéristiques mécaniques des matériaux utilisés pour les calculs

numériques. ... 94

Notations

 Lettres majuscules

A : Facteur d’échelle associé à la grandeur A (similitudes) A

: Paramètre du prototype (similitudes)

A

Surface d’une maille élémentaire du réseau d’inclusions B : Largeur du tube enterré (Marston et Anderson, 1913) C : Capacité

C

: Coefficient de charge (Marston et Anderson, 1913) C

: Coefficient de voûte (BS8006, 1995)

C

: Indice de compression (Coefficient de courbure) E

: Coefficient d'efficacité

E : Coefficient d'efficacité ou module d’Young E

: Coefficient d'efficacité au cas bidimensionnel

E

Coefficient d'efficacité au cas tridimensionnel Q

: Force transmise vers l’inclusion rigide Q

: Force totale exercée au niveau de l’inclusion

H

: Hauteur critique

D : Épaisseur du sol compressible

H

: Hauteur du plan d’équilibre du tassement

K

: Coefficient de pression active des terres de Rankine K

Coefficient de pression passive des terres de Rankine K

Coefficient des terres au repos

K

: Rapport entre la contrainte horizontale et la contrainte verticale R : Rayon de l’inclusion rigide

SRR(S

) : Taux de réduction des contraintes T : Tension dans le géosynthétique

Q _T : La charge verticale sur la tête

Q _P : L’effort en pointe de l’inclusion

F

: La résultante des frottements de type positif F

: La résultante des frottements de type négatif

L : Une longueur

F _c : Contre butée

E

Module élastique du sol compressible

A

: Surface de la nappe n

 Lettres minuscules

a : Diamètre de la tête d’inclusion c : Cohésion du matériau

f

: Coefficient de sécurité appliqué au poids du remblai f

: Coefficient de sécurité appliqué à la surcharge dynamique h

(H) : Hauteur du matelas

h

(D) : Hauteur du sol analogique k

: Rigidité du géosynthétique

k

Rigidité de l’inclusion rigide P : Pression moyenne

P

: Pression de préconsolidation

q

: Contrainte verticale s’exerçant sur le sol compressible non renforcé q

: Surcharge en surface du matelas

q

: Contrainte verticale moyenne s’appliquant sur une tête d’inclusion q

: Contrainte verticale s’exerçant sur le sol compressible

s (b) : Entraxe entre inclusion

h

: L’épaisseur de sols compris entre la tête d’inclusion et le point neutre t : tassement du sol compressible

 Lettres grecques

α : Taux de recouvrement (taux de couverture)

β : Angle d’ouverture d’un prisme de sol (Carlsson, 1987) θ : Angle d’ouverture d’un prisme de sol (Chevalier, 2008) : Angle de frottement

: Angle de frottement du matelas

: Angle de frottement du sol compressible

: Angle de frottement à l’état critique ρ

: Masse volumique sec du sol

λ : Pente de la droite de consolidation normale (modèle de type Cam Clay) Coefficient d'accrochage

σ

: Contrainte horizontale σ

:

δ :

Contrainte verticale

angle de frottement (interaction) sol-pieu (°)

VOA 2018 1

Introduction générale

Le renforcement par inclusions rigides verticales constitue une alternative particulièrement intéressante aux fondations sur sol compressible de type traditionnel et peut apporter une réponse pertinente aux soucis d'environnement et d'optimisation des coûts et des délais de construction. La technique des inclusions rigides consiste à transférer la charge due à l'ouvrage renforcé vers une couche de sol plus dur. Ce transfert se fait par la combinaison d'inclusions rigides traversant le sol compressible et d'un matelas granulaire disposé entre le réseau d'inclusions et l'ouvrage. Ce matelas a pour vocation de répartir la charge vers les têtes d'inclusions. Pour augmenter la part de la charge reprise par les inclusions, des têtes peuvent être disposées sur les inclusions et des nappes géosynthétiques peuvent être intercalées dans le matelas granulaire. Le grand intérêt de renforcement par inclusions rigides est la réduction des tassements tout en conservant le sol compressible en place, ce qui constitue un avantage économique et environnemental non négligeable (Combarieu, 1988 ; Briançon et al, 2004 ; Jenck et al, 2005 ; Simon et Schlosser, 2006).

L’utilisation des inclusions rigides en zones à risque sismique présente un concept intéressant. Vis-à-vis d’un chargement sismique, ce système de renforcement s’apparente à un système d’isolation à la base de l’ouvrage. Le matelas de transfert de charge constitue une zone de dissipation d’énergie transmise entre la structure et les éléments rigides du renforcement et vis versa, réduisant l’effet inertiel de la superstructure (Pecker et Garnier, 1999 ; Pecker et Salençon, 1999 ; Dorby et al. 2003). Ce type de renforcement a été mis en oeuvre pour le pont Rion-Antirion (Pecker et Teyssandier, 1998).

La plupart des fondations profondes et des renforcements par inclusions rigides

constitue un groupe d’éléments verticaux. Afin de comprendre le comportement de système

de renforcement sous l'effet des phases de construction des remblais et sous l'effet des

sollicitations sismiques, il est important d’étudier le comportement statique et dynamique du

groupe des inclusions rigides afin d'avoir le taux de réduction des tassements des remblais et

les tassements des inclusions. Le comportement de système de renforcement est encore mal

connu tel que l’effet de l’interaction sol-inclusions, inclusion-inclusion, inclusion matelas ou

remblai et interaction sol-inclusions-matelas sous chargement statique ou dynamique. Peux de

travaux ont été consacrés à l’analyse de l’interaction sol-inclusions-matelas structure sous

chargement dynamique. (A.Hatem 2009), a étudié le comportement de l’interaction sol-

VOA 2018 2 inclusion-matelas sous sollicitations sismique, dans ce contexte (Umur Okoy 2010) a étudié le comportement de l’interaction sol-inclusions-matelas-structure sous un signal sinusoïdal.

Mais on peut bénéficier pour cette étude d’une littérature abondante sur l’interaction dynamique/statique sol-pieux-dalle. L’analyse d’un pieu ou d’un groupe de pieux dans le domaine fréquentiel dans un demi-espace a été étudiée numériquement par plusieurs chercheurs. Plusieurs méthodes étant utilisées pour étudier le comportement de l’interaction sol-pieux-dalle, la méthode des éléments finis, la méthode des éléments de frontières et la méthode des éléments finis couplée avec la méthode des éléments de frontières.

Compte tenu de la complexité du problème d’interaction sol-inclusion-remblai et du fort couplage entre les différents éléments composant ce système de renforcement, on propose une analyse de l’interaction sol-inclusions-matelas-remblai, en effectuant une modélisation numérique tridimensionnelle par éléments finis. Cette modélisation nous permet également d’analyser des aspects particuliers du problème, les tassements de remblai, la concentration des contraintes a la tête des inclusions, l’effet de groupe, et l’interaction cinématique (réponse dynamique de système sol-inclusions-matelas sous excitation sismique).

Les progrès récents de l’informatique et des méthodes de calcul (modélisation par éléments finis ou différences finis) permettent à l’ingénieur de simuler l’évolution du comportement des ouvrages de renforcement dans le temps. Cependant, l’objectivité des calculs restent suspendue à une connaissance précise de la loi de comportement des terrains en place et des matériaux utilisés.

La modélisation est l’art de la simplification qui permet aux ingénieurs de prévoir le comportement de ce qui est trop complexe pour être appréhendé complètement. Or les ouvrages de génie civil ont un comportement complexe. Cela est dû essentiellement au fait qu’ils sont ancrés dans le milieu naturel. Ils y sont bien sûr par leurs fondations dans le substratum géologique mais aussi par les actions qu’ils subissent - eau, séisme, etc. – et par les matériaux qui les constituent.

L’objectif principal de ce travail est de l’étude numérique de la stabilité d’un remblai

établi sur un sol compressible renforcé par inclusions rigides dans le cas d’un chargement

statique et dans le cas d’un chargement sismique. Cette étude a été examinée par des modèles

numériques tridimensionnels en éléments finis.

VOA 2018 3 Les modèles ont été simulés en prenant compte l’exécution réelle de la mise en place du remblai sur le chantier expérimental. Le remblai a été posé sur le sol compressible en six couches suivant la configuration du maillage.

Les résultats permettent de mettre en évidence l’influence de diamètre et l’espacement des inclusions rigides et la rigidité de matelas de transfert sur le facteur de sécurité ainsi que les tassements et les contraintes qui se développent dans le cas de sol renforcée et non renforcé.

Ce travail est subdivisé en six chapitres plus une introduction générale et une conclusion.

Le premier chapitre est consacré à la présentation en générale les techniques d’amélioration de sol.

Le deuxième chapitre s’intéresse à la technique de renforcement de sol par les inclusions rigides et leur domaine d’utilisation.

Le troisième chapitre présente les différentes méthodes de dimensionnement des inclusions rigides en conditions statique ainsi que les méthodes de dimensionnement connues en conditions dynamique (cas d’un chargement séismique).

Le quatrième chapitre est consacrée à la modélisation numérique de l’interaction du système sol-inclusions-remblai. L’analyse est effectuée à l’aide de la méthode des éléments finis qui consiste à calculer le tassement et la contrainte dans les inclusions, le sol compressible et à la base de remblai d’une cellule élémentaire et d’un massif de sol renforcé par un groupe de 30 inclusions rigides.

Le cinquième chapitre présente la modélisation numérique de l’interaction du système

sol-inclusions-matelas sous un chargement sismique. L’analyse est effectuée à l’aide de la

méthode des éléments finis avec les frontières absorbantes qui consiste à calculer les

sollicitations dans les inclusions rigides.

VOA 2018 4

I.1. Introduction

Le passage par des sols possèdent des faibles caractéristiques physico-mécanique (les sols compressibles) pose un problème de stabilité ou déformation des ouvrages en terre.

Pour résoudre ces problèmes les ingénieurs géotechniciens disposent et développent de nombreuses techniques d’amélioration de sol. Il existe différentes méthodes de renforcement des sols, plus ou moins anciennes (le battage) et plus ou moins développées (pilonnage). [1]

I.2. Les méthodes de renforcements des sols

La construction des ouvrages dans les zones où se présente une forte compressibilité ou une faible capacité portante peut engendrer des tassements très importants et des temps de tassement très longs. [2]

Les techniques de renforcement des sols ont pour objectif d’améliorer in-situ les caractéristiques d’un sol peu résistant.

De nouvelles techniques de fondations ont été développées en vue de contourner ces difficultés [2]. Plusieurs catégories de techniques existent :

- celles qui consistent à inclure des éléments résistant dans le sol : inclusions rigides, colonnes ballastées, enrochement, injection de coulis et de résines, clouage, etc. Ces renforcements peuvent être améliorés de tarières qui refoulent le sol.

- celles qui font appel à l’utilisation d’un liant : la chaux au du ciment et aussi les techniques de chapes.

- celles qui compactent le sol : pré-chargement associé à du drainage, compactage dynamique, vibroflottation, consolidation atmosphérique, etc. Ces techniques sont particulièrement efficaces sur des sols granuleux (de type sableux par exemple) car elles réduisent l’espace entre les grains. [3]

I.2.1. Pré-chargement

Cette méthode est utilisée sur des terrains dont le tassement va se prolonger durant

plusieurs années. On applique généralement ces méthodes sur des mauvais terrains de

composition principalement argileuse. Le principe consiste à surcharger le terrain afin qu'il

se tasse naturellement.

VOA 2018 5 Mode de fonctionnement

Cette technique consiste à placer sur le terrain une charge égale à la charge définitive P

augmentée éventuellement d’une surcharge P

qui assure tout ou partie des effets suivants :

- Augmenter la résistance au cisaillement.

- Augmenter la capacité portante du massif de sol. [4]

Figure I.1 : Techniques de pré-chargement. [4]

I.2.2. Accélération de la consolidation par drains verticaux

Cette technique est complémentaire des techniques de pré-chargement utilisée pour

accélérer les tassements de consolidation des sols fins saturés de faible perméabilité. Elle

est applicable dans le cas des couches d'argile ou de limons compressibles de 3 à 50 m de

profondeur. [5]

VOA 2018 6 Figure I.2 : Système des drains verticaux.

I.2.3. Compactage dynamique

Le compactage dynamique vise l'amélioration des propriétés géotechniques de sols lâches par l’application d’impacts de très forte intensité.

Applicable dans le cas des remblais en environnement dégagé, sur des sols mous de 6 à 7 m de profondeur. [5]

Figure I.3 : Exemple de chantier de compactage dynamique.

I.2.4. Colonnes ballastées

Un réseau de colonnes de ballast compacté est constitué dans le sol au moyen d'une aiguille vibrante ou d'un tube battu pilonné. Ces colonnes agissent comme points de renforcement du sol mou. Elles améliorent la stabilité et diminuent les tassements en reportant une partie de la charge sur le substratum.

Les domaines d’application des colonnes ballastées sont nombreux, parmi les on

cite :

VOA 2018 7 - ouvrages (Pistes d’aéroport).

- conditions géotechnique du sol (selon la granulométrie et selon les paramètres mécanique de sol). [5]

Figure I.5 : Colonnes ballastées.

I.2.5. Inclusions rigides

Le principe de la technique de renforcement des sols par inclusions rigides est présenté sur la (Figure I.5). La charge appliquée en surface est transmise à un substratum rigide par l’intermédiaire de la combinaison d’un réseau d’inclusions rigides et d’un matelas de transfert de charge.

L’efficacité de cette technique peut être améliorée par la disposition de nappes géosynthétiques noyées au sein du matelas, et de dallages situés au-dessus du matelas de transfert de charge. [6]

Figure I.5 : Principe du renforcement par inclusions rigides. [6]

VOA 2018 8 I.2.6. Vibrocompactage (ou vibraoflottation)

Cette méthode consiste à provoquer une vibration entretenue dans le sol au moyen d’une aiguille vibrante. Cette vibration provoque une densification du matériau qui se traduit par l’affaissement du sol autour du vibreur. [5]

Figure I.6 : Mode opératoire de vibroocompactage.

I.2.7. Inclusions par mélange d’un liant avec le sol

Les inclusions par mélange d'un liant avec le sol dites "inclusions par mixing"

permettent de réaliser des colonnes de sols stabilisés qui, étant donné les performances mécaniques généralement obtenues. Ces techniques ont été développées d'une part pour le renforcement des sols compressibles et d'autre part pour leur stabilisation.

Parmi les différentes méthodes de "mixing", qui peuvent être obtenues par différentes techniques : mécaniques, hydrauliques, avec ou sans air…, on trouve les dénominations suivantes :

- Jet grouting.

- Soil mixing.

- Deep ciment mixing (DCM).

- Deep soil mixing (DSM). [5]

I.2.8. Géosynthétiques

Dans la fonction de renforcement, le rôle des géosynthétiques est d'ajouter les

propriétés de résistance à la traction au sol (qui est un matériau avec de bonnes

caractéristiques en compression) pour produire un matériau qui à la fois les caractéristiques

VOA 2018 9 de résistance à la traction et à la compression. Le renforcement est le résultat du transfert des contraintes de traction du sol vers le géosynthétique.

Figure I.7 : La fonction de renforcement. [5]

Cette méthode de renforcement est généralement utilisée dans les cas suivants : - la stabilité des murs des remblais.

- la stabilité des pentes raides.

- la stabilité des murs de soutènement. [5]

I.3. Conclusion

Le choix d’une technique de traitement de sol dépend des objectifs de modification de comportement et d’état de sol visé en fonction du type d’ouvrage réalisé.

En dehors de considération économique qui reste le facteur prépondérant. Tout choix de solution devra tenir compte des facteurs suivants :

- le type d’ouvrage réalisé.

- Le type de sol concerné.

- La profondeur de sol concerné.

- Les impacts sur l’environnement et les constructions avoisinantes.

Le traitement de sol peut concerner une épaisseur de sol plus ou moins importante. [7]

VOA 2018 10

II.1. Introduction

Durant ces dernières années, l’utilisation des inclusions verticales est devenue fréquente pour la réalisation des ouvrages d’art. Ce type de procédé est utilisable afin de réaliser des ouvrages ponctuels, linéaires ou de grande surface sur des sols compressibles de toute nature. La technique consiste à réaliser sous une fondation le nombre nécessaire d’inclusions pour atteindre la sécurité et le tassement recherché. [8]

II.2. renforcement des sols par inclusions rigides

La technique de renforcement par inclusion rigides constitue une réponse pertinente aux problèmes de sols compressibles. Il existe une grande diversité d’approches de dimensionnement pour l’application de cette technique, mais il subsiste un manque évident sur la compréhension du fonctionnement de l’ouvrage. Dans un contexte de développement rapide de cette méthode, il est apparu important de mener des travaux de recherche sur ce type d’ouvrage de renforcement.

II.2.1. Principe et mode de fonctionnement

La Figure II.1 illustre le principe du renforcement. Les inclusions rigides sont mises en place à travers l’horizon compressible et permettent de transférer les charges vers le substratum par le développement d’un effort de pointe et de frottements le long de l’inclusion. Des dallettes peuvent être mises en place au niveau des têtes d’inclusion afin d’augmenter la surface de reprise des charges.

Le matelas de transfert de charge est disposé entre le sol compressible renforcé par les inclusions et l’ouvrage en surface. Sa fonction est de réduire et d’homogénéiser les tassements sous l’ouvrage en assurant le transfert des charges vers les têtes d’inclusion. Le tassement différentiel en base du matelas entre les inclusions rigides et le sol compressible induit du cisaillement dans le sol granulaire et donc la formation de voûtes qui assurent le transfert des charges vers les têtes d’inclusion. La présence de ce matelas différencie cette technique de celle des pieux, car les inclusions sont désolidarisées de l’ouvrage en surface.

Elles permettent d’améliorer le report de charge vers les têtes d’inclusions lors de sa mise

en tension due aux tassements différentiels entre les têtes d’inclusions et le sol

compressible (effet membrane). [9]

VOA 2018 11 Figure II.1 : Principe de renforcement par des inclusions rigides.

Le frottement le long des inclusions participe également aux mécanismes de transfert de charge. La Figure II.2 présente le comportement d’un réseau d’inclusions soumis à chargement. Au niveau de la partie supérieure des inclusions, le sol compressible tasse plus que les inclusions et entraîne du frottement négatif le long de l’inclusion, ce qui contribue au report de la charge sur les inclusions. Ainsi le sol de fondation participe aux mécanismes. Au niveau de la partie inférieure, les inclusions poinçonnent le substratum qui n’est jamais parfaitement rigide, ce qui entraîne du frottement positif. Au niveau de la base de l’inclusion se développe un effort de pointe.

Figure II.2 : Réseau d’inclusions soumis à un chargement d’après Berthelot et al. (2003).

VOA 2018 12 La Figure II. 3 montre les mécanismes de transfert de charge dans un sol

renforcé par des inclusions rigides. Les mécanismes qui se développent dans le matelas de transfert de charge et le long des inclusions sont en forte interaction. Les tassements au niveau de l’interface entre le sol compressible et le matelas conditionnent simultanément la formation des voûtes dans le sol granulaire, la mise en tension du géosynthétique éventuel et le frottement le long des inclusions. [9]

Figure II.3 : Mécanismes de transfert de charge (Berthelot et al. 2003).

II.2.2. Les inclusions rigides II.2.2.1. Définition

Les inclusions rigides verticales, appelés aussi les pieux, sont des éléments de fondation apparentés à des colonnes, qui sont déposées verticalement (partiellement ou totalement) dans le sol mou compressible et enfouis jusqu’à la couche dure en profondeur, et servent à transmettre les efforts appliqués sur les fondations. [10]

Le procédé d’inclusions rigides a pour objet d’améliorer les performances du sol de fondation de remblais et de structure type dallage, fondations superficielles ou radier, en répondant aux spécifications suivantes :

- Augmentation de la capacité portante du sol.

- Reprise des efforts horizontaux et des moments par l’intermédiaire d’un matelas intercalaire sous les semelles.

- Réduction des tassements. [11]

II.2.2.2 Réseau d’inclusion

Les inclusions rigides sont placées d’une manière régulière ou variable selon des

maillages triangulaires ou carrés, en lignes ou en groupes ou même de manière isolée. Cela

VOA 2018 13 dépend des caractéristiques du chantier, en appelant A

la section d’une tête d’inclusion et

A

la surface d’une maille élémentaire (Figure II.4), le taux de recouvrement est la proportion de la surface totale couvert par les inclusions et est défini par :

α = (II.1)

Figure II.4 : Différents types de maillages pour les réseaux d’inclusions rigides. [12]

II.2.2.3. Classification des inclusions rigides

De nombreux types d’inclusions rigides peuvent être envisagés suivant les propriétés mécaniques et la géométrie de la couche compressible. Le module de déformation des inclusions varie entre 10 MPa (inclusions de t ype Vibre concrète Column) et 2 0 0 GPa (pieux métalliques ) [8]. Les inclusions sont généralement classées en deux catégories :

II.2.2.3.1. Inclusions préfabriquées

Cette catégorie reprend tous les pieux qui sont fabriqué avant d’être amené sur place. On peut en distinguer de trois natures différentes.

- Pieux en bois : probablement la plus vieille méthode de renforcement des fondations. Pour des longueurs d’ancrage ne dépassant pas 12m.

- Pieux en béton : utilisables pour une grande gamme de charge qui dépend de la géométrie du pieu, de la résistance en compression du béton et des armatures. Le béton a l’avantage d’être utilisable dans les sols corrosifs. On les utilise sans raccord jusqu’à 15 m dans le cas de pieux en béton armé, jusqu’à 40m dans le cas des pieux en béton précontraints et à des profondeurs supérieures pour des pieux avec des raccords.

- Pieux métalliques : profilés en H ou tubes cylindriques. Les longueurs usinées vont

de 12 à 21 m. Pour une même longueur de pieu, les pieux métalliques sont plus

VOA 2018 14 coûteux que le pieux béton, mais ils ont une plus grande capacité de reprise de

charge pour un poids donné, ce qui peut réduire les coûts de mise en œuvre.

Avantages et inconvénients de l’inclusion préfabriquée Avantage

- Contrôle possible avant l’insertion dans le sol.

- Stabilité dans les sols compressibles.

- De très grandes longueurs de pieux peuvent être mises en œuvre.

Inconvénients

- Risque de casse lors de la mise en place.

- Peu économique si le choix et donc le coût des matériaux est guidé par les contraintes de mise en œuvre plutôt que par les contraintes en service.

- Impossibilité d’insérer de gros diamètres.

II.2.2.3.2. Inclusions construites in situ

Cette catégorie reprend tous les pieux qui sont fabriqué sur le site même. Ils sont directement moulés dans le sol. On ne retrouve donc uniquement des pieux en béton. Les méthodes de fabrication et de mise en place de ces pieux sont nombreuses. Certains procédés sont même bien particuliers à la société qui s’occupe du chantier.

 Pieux battus ou forés

- A tube battu : Ce procédé consiste au battage par mouton d’un tube bouchonné jusqu’à une cote prédéterminée. Le ferraillage et le bétonnage gravitaire se fait à l’abri du tube. Le tube est ensuite extrait du sol. Ce procédé se fait par refoulement du sol sans déblais.

- Forés simple : Ce procédé n’utilise pas de soutènement de parois. Il ne s’applique donc que dans les sols suffisamment cohérents. Un forage est exécuté dans le sol par des moyens mécaniques et ensuite rempli par du béton et des armatures. La section du forage est circulaire grâce à un outillage spécial. Ces pieux sont réservés aux charges exceptionnelles.

- Forés à tarière creuse : Le procédé des pieux forés à la tarière creuse se caractérise

par le forage du sol à l’aide d’une tarière jusqu’à la profondeur souhaitée, puis par

VOA 2018 15 l’injection du béton sous pression par l’axe de l’outil tout en remontant celui-ci. La

cage d’armature est mise en place par vibreur.

 Pieux de type « Vibro Concrte Column »

La procédure de mise en œuvre consiste à introduire dans le sol un vibreur électrique jusqu’à la couche dure. Le matériau de la couche dure est ensuite compacté par le vibreur.

L’instrument est alors légèrement remonté et le béton est introduit. La colonne est construite en remontant lentement l’instrument. Cette technique est faite par refoulement du sol et elle ne génère pas de déblai, elle permet dans certaines conditions d’améliorer les propriétés du sol.

Dans un sol cohérent, les caractéristiques des VCC ne diffèrent pas de celles des autres procédés. Par contre, dans des sols granulaires, la capacité portante de la colonne peut être améliorée grâce au compactage du sol réalisé par la vibration.

 Inclusion par mélange d’un liant avec le sol

Les inclusions par mélange d’un liant avec le sol permettent de réaliser des colonnes de sols stabilisés qui peuvent s’apparenter aux inclusions rigides. Le but de ce procédé est de réaliser dans un premier temps, un désordre dans la structure du sol, et ensuite, d’injecter un coulis de ciment sous pression pour le stabiliser et former ainsi le pieu.

Avantages et inconvénient des pieux fabriqué in situ Avantages

- Variation de la longueur pour mieux s’adapter aux conditions du sol.

- Insertion de gros diamètres.

- Pas de risque de soulèvement de sol.

Inconvénients

- Risque de striction dans les sols compressibles,

- Installation du béton non faite dans des conditions idéales,

- Élargissement du pied de l’inclusion impossible dans un sol sans cohésion. [10]

Les techniques de construction des inclusions rigides sont décrites par Briançon

(2002) et Kempfert (2003). Le Tableau II.3 résume les différents types d’inclusions

d’après leur module de déformation.

VOA 2018 16

Type d’inclusion E (MPa)

Pieux Préfabriqués

Pieux bois 14 000

Pieux métalliques 200 000

Pieux béton 10 000-20 000*

In cl us ions fa b ri qu é es i n s it u Pi eux b att us e t fo ré s Battus

Mortier : 2000 7400 Béton B15 : 9000 Béton B25 : 10 815 Forés

Simples Forés Tubés A la Tarrière Starsol

VCC 10 000

CMC 500- 20 000 **

Par mixing

COLMIX 50-300 ***

Jet Grouting

LCC 20-200

* fonction de la nature du béton et du renforcement.

** fonction de la nature du colis.

*** fonction de la nature du liant et du sol.

Tableau II.1 : Principaux types d’inclusions rigides (Briançon 2002).

II.2.2.4. Le mode de fonctionnement des inclusions rigides

II.2.2.4.1 Le fonctionnement d’une inclusion isolée

A présent on associe au sol compressible une inclusion rigide non ancrée dans le substratum résistant. Quand s’éloigne de cette inclusion le sol se comporte comme précédemment, le sol n’est pas renforcé et le profil de tassement est important. En revanche, dans un périmètre proche de l’inclusion, le champ de contrainte et de déformation est modifié. Quant au tassement de l’inclusion il est faible mais non négligeable en raison d’une légère compression du matériau.

Dans le cas où l’inclusion est ancrée dans le sol résistant, le tassement est d’avantage

diminué. Attention toutefois à ne pas systématiser cet ancrage. Si cette disposition peut

paraitre la plus performante, elle peut en revanche amener à la concentration d’efforts de

traction en pied de l’inclusion rigide dans le cas d’efforts sismiques.

VOA 2018 17 Figure II.5 : Exemple de profil de tassement du sol et de l’inclusion rigide dans une zone

traitée.

La Figure II.5 nous montre que dans la partie inférieure le tassement du sol est plus faible que celui de l’inclusion. A l’inverse dans la partie supérieure, c’est l’inclusion qui tasse moins que le sol. Cette différence de comportement d’interaction met en avant un phénomène faisant apparaitre un frottement négatif et un frottement positif, qui provoquent à leur tour un report de la charge vers celle-ci.

La profondeur où les tassements de l’inclusion et du sol en place sont égaux est appelée point neutre, et caractérise une inversion du signe du frottement (négatif F

=>

positif F

).

VOA 2018 18 Figure II.6 : bilan des efforts sur une inclusion, d’après combarieu (1988).

En résumé, une difficulté majeure réside dans le fait que les actions sur l’inclusion dépendent de son tassement relatif par rapport aux sols en place, étant eux-mêmes la réaction suite au report de charge découlant de leur tassement relatif.

L’inclusion étant d’autant plus efficace qu’elle décharge le terrain environnant, l’objectif est de lui transmettre les efforts moteurs maximaux. Pour cela il faut que la capacité portance en pointe de l’inclusion soit la plus élevée possible. Ceci implique la recherche d’un niveau porteur suffisant qui est lié à la qualité de sol dans lequel se situe la pointe de l’inclusion.

Dans le cas où l’inclusion serait arrêtée dans un sol médiocre, l’inclusion tassera frottement et la tête de la déformée relative sol-inclusion ne permettra d’obtenir qu’un faible effort d’ancrage.

Combarieu définit que la géométrie du dispositif du renforcement par inclusion rigide est régie principalement par :

 L’épaisseur de la plateforme granulaire.

 La distance entre axes des inclusions.

 L’aire d’une maille élémentaire.

VOA 2018 19 II.2.2.4.2 Le fonctionnement d’un réseau d’inclusions

On comprend aisément que la capacité à dimensionner de manière faible un réseau d’inclusions dépend de la capacité à déterminer le mode de répartition des contraintes.

Pour déterminer correctement cet équilibre, on doit impérativement prendre en compte les déplacements et les tassements différentiels entre les inclusions et le sol qui créent des efforts moteurs ou résistants dus au frottement négatif et positif.

De plus une inclusion rigide ne permet pas d’obtenir une réduction localisée des contraintes et des tassements ; par contre en additionnant les réductions locales, un réseau d’inclusions permet la diminution généralisée de cas effets. Par conséquent, à qualité et épaisseur de matelas égale, la réduction est d’autant plus élevée que le maillage est faible.

Quant aux mécanismes, ils restent les mêmes que pour les inclusions isolées, l’effet de groupe n’affectant que les intensités. La seule différence à noter concerne la capacité du groupe d’inclusions à reprendre en tête tout l’effort mobilisé par l’effort d’encrage.

Ainsi bien que le réseau réduise significativement les tassements d’ensemble, la capacité portant de chaque inclusion n’est pas optimisée. Il est donc nécessaire de définir le maillage qui apportera un bon rapport Tassement/Résistance en pointe. [13]

Figure II.7 : incidence de la densité d’inclusions rigides. Source keller

VOA 2018 20 II.2.2.5. Domaine d’application des inclusions rigides

La technique du renforcement des sols compressibles par des inclusions rigides verticales a connu un grand essor depuis les années 70 mais son utilisation n’est courante que depuis une dizaine d’années. Actuellement, cette technique est utilisée principalement pour fonder des ouvrages tels que des remblais routiers ou ferroviaires, des dallages et fondations de bâtiments industriels, commerciaux et portuaires, des réservoirs de stockage ou des bassins et ouvrages de stations d'épuration. La figure II.8 présente les différents domaines d’application.

 Remblais routiers ou ferroviaires : les remblais sur sols compressibles d'ouvrages linéaires tels que les routes, autoroutes et voies ferrées constituent un grand domaine d'application du renforcement par inclusions rigides verticales. Il est utilisé tant en section courante, que pour des sections particulières telles que les accès aux ouvrages d'art, où une attention particulière est apportée aux interactions avec les fondations de l'ouvrage. Le renforcement par inclusions rigides verticales permet d’accélérer la construction des remblais tout en limitant le tassement différentiel.

 Dallages et fondations de bâtiments industriels, commerciaux et portuaires : l'exigence principale pour ces ouvrages est de minimiser le tassement différentiel entre les fondations et le dallage, alors que des charges localisées importantes (stockage de conteneurs, voies de roulement) peuvent être appliquées sur les dallages. Ces ouvrages diffèrent des remblais par la faible épaisseur de la plate- forme de transfert entre les têtes d'inclusion et l'ouvrage, qui doit être cependant suffisante pour autoriser le développement de « voûtes ».

 Réservoirs de stockage ou bassins et ouvrages de stations d'épuration : cette dernière catégorie est proche de la précédente en termes de tassements admissibles qui doivent être limités pour éviter tout désordre à l'ouvrage. Elle est caractérisée également par la forte variation possible des charges en raison des variations du taux de remplissage des réservoirs.

 L'utilisation d'inclusions rigides peut s'étendre également au renforcement

d'ouvrages en zone sismique. En effet, sous sollicitation sismique, le renforcement

du sol compressible par des inclusions rigides prévient le développement de

surfaces de rupture alors que la plate-forme de transfert (couche granulaire) sur

VOA 2018 21 laquelle l'ouvrage peut éventuellement glisser sans dommage représente une zone

dissipatrice d’énergie. Ce principe a été utilisé à grande échelle pour les fondations du pont de Rion-Antirion (Pecker et Teyssandier, 1998).

 Les méthodes de renforcement par inclusions rigides verticales peuvent aussi être utilisées pour la construction d'ouvrages sur d'anciens Centres de Stockages de Déchets (CSD). L'application dans ce domaine est encore très peu développée, mais il existe quelques réalisations telles que la construction d'un remblai d'accès à un ouvrage d'art à Triel sur Seine (France). [15]

a – Voirie b – Remblai d’accès à un ouvrage d’art

c – Dallage et fondation de plate-forme d – Réservoirs industrielle Figure II.8 : Domaines d’application. [15]

II.2.3 matelas de transfert de charge

Le matelas de transfert de charge assure la transition entre les charges appliquées en surface et les inclusions rigides. Il permet de concentrer les charges sur les inclusions, de réduire et homogénéiser les tassements en surface, ainsi sa présence permet de diminuer les sollicitations sur l’ouvrage afin d’assurer le bon fonctionnement et la pérennité. [13]

Le matelas est généralement constitué de matériaux rapportés dits « nobles »

graves, ballasts. Ils peuvent également avoir fait l’objet d’un traitement au liant (chaux,

VOA 2018 22 ciment) afin d’améliorer leurs caractéristiques mécaniques.

Les modèles analytiques de transfert de charge existants peuvent être regroupés en trois familles :

 Modèles de transfert de charge basés sur l’équilibre d’un volume de sol en mouvement

 Modèles présupposant d’une zone d’influence des inclusions

 Modèles présupposant la formation de voûtes dans le matelas granulaire Chacune d’elles étant associée à une approche particulière du fonctionnement du matelas granulaire et des mécanismes de transfert de charge qui s’y développent.

Le simple inventaire des modèles existant pour d’écrire le comportement des renforcements de sols compressibles par inclusions rigides suffit à souligner la diversité des hypothèses fortes sur lesquelles ils se basent :

– Rôle des différentes parties du matelas granulaire et géométries associées, – Prise en compte des caractéristiques mécaniques du matelas granulaire. [14]

II.2.4. Le géosynthétique

Le matériau granulaire constituant le matelas de transfert de charge peut être renforcé afin d’améliorer ses propriétés. Plusieurs types de renforcements peuvent être mis-en œuvre. Il s’agit de renforcements horizontaux qui peuvent être regroupés en deux familles [14] :

 Lorsque qu’une seule nappe géosynthétique est disposée sur les têtes d’inclusion, elle contribue au renforcement par effet membrane ;

 Lorsque plusieurs nappes sont mises en œuvre au sein du matelas granulaire ; à l’effet membrane se rajoute un effort de rigidification du matelas (Guido et al.1987 ; Bell et al 1994 ; Collin, 2004).

Le renforcement basal du matelas de transfert de charge est dans la très grande majorité dans cas assuré par une nappe géosynthétique (géotextile ou géogrille).

a. Les géotextiles : il existe une gamme variée de géotextiles assurant différentes

fonctions telles que la séparation, le drainage, le renforcement, la filtration, la

protection, etc. Ce sont les géotextiles ayant une capacité de renforcement qui sont

utilisé dans la plate-forme de transfert de charge. Pour assurer cette fonction, ces

VOA 2018 23 géotextiles (tissés ou non tissés) doivent avoir une haute résistance à la traction, un

module de traction élevé et un faible taux de fluage.

Figure II.9 : Géotextile. [1]

b. Les géogrilles : sont des géosynthétiques ressemblant à des grilles ouvertes. La principale application des géogrilles est le renforcement des sols [1] . Leurs mailles autorisant par imbrication une forte liaison entre les sols grossiers et les géogrilles, leur utilisation dans la plate-forme de transfert de charge est plus fréquente que celle des géotextilles.

Géogrille unixiale géogrille extrudé géogrille biaxiale

Figure II.10 : Différent types de géogrilles. [1]

VOA 2018 24 La Figure II.11 présente les différentes dispositions de la nappe.

Figure II.11 : Différents types de renforts horizontaux : (a) renfort en base de matelas granulaire, (b) renfort au sein du matelas granulaire. [14]

 Effet membrane

On appelle effet membrane l’aptitude qu’a un renfort géosynthétique à s’incurver pour mobiliser par traction des efforts orientés initialement dans la direction perpendiculaire à son plan. Si le renfort géosynthétique est initialement horizontal celui-ci doit se déformer assez fortement pour résister aux efforts appliqués. Le sol subjacent au renfort géosynthétique va se déplacer et de ce fait initier les mécanismes de voute dans le reste du remblai. Le sol support compressible va s’opposer au déplacement du renfort géosynthétique et créer une réaction verticale de sens opposé.

De par sa forte compressibilité l’action du sol support peu diminuer dans le temps,

d’où une évolution des déplacements du renfort géosynthétique. Si les voutes formées dans

le remblai sont stables, les mouvements au niveau du renfort géosynthétique ne vont pas

avoir de répercussions importantes en surface. [13]