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MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
--- UNIVERSITÉ D’ABOMEY-CALAVI
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ÉCOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI
Département de Génie Civil
OPTION : Bâtiments et Travaux Publics
POUR L’OBTENTION DU
DIPLÔME D’INGENIEUR DE CONCEPTION
THÈME
Année académique : 2012-2013
ÉTUDE DU COMPORTEMENT DES CHAUSSÉES SUR SOL GONFLANT, RENFORCÉES PAR GÉOSYNTHÉTIQUE : CAS DE LA
ROUTE POBÈ-KÉTOU
Présenté par :
Kevin Becket Dominique SONOU
Sous la direction de :
Dr Ing. Ezéchiel I. ALLOBA Maître Assistant des Universités Enseignant-Chercheur à l’EPAC/UAC PhDIng. Crépin ZEVOUNOU
Maître Assistant des Universités Directeur du LERGC SA
Kevin Becket Dominique SONOU Aucune dédicace ne saurait être assez éloquente pour
exprimer ce que tu mérites pour tous les sacrifices que tu n’as cessé de consentir depuis ma naissance jusqu’à ton décès.
Un jour viendra où nous nous reverrons.
Ce jour-là, je voudrais mériter de t’entendre dire : « Mon fils tu es bien tel que je souhaitais te voir devenir ».
Garde moi pour ce jour du revoir où, à la joie de posséder mon Dieu, se mêlera la joie de te retrouver.
REMERCIEMENTS
Notre souffle, nos pensées, nos intentions, notre inspiration, nos actes, nos déplacements, toute notre vie sont à la gloire de Dieu le Père Tout Puissant. Aussi ne pourrais-je commencer ce mémoire sans Le remercier pour m’avoir porté sous Son ombre et m’avoir offert Son entière protection. Merci Seigneur pour toutes les merveilles que Tu accomplis et ne cesses d’accomplir dans ma vie. Sans cesse à mes soins, Tu me donnes de rencontrer des personnes par le biais desquelles Tu agis.
Le présent document a été réalisé grâce à l’appui, à l’engagement, au soutien indéfectible et à la collaboration de nombre de celles-ci. À cet effet, je tiens à exprimer mes sincères remerciements et ma profonde gratitude :
Au Professeur Félicien AVLESSI, Directeur de l’École Polytechnique d’Abomey- Calavi, et son adjoint Docteur Clément BONOU pour le cadre et les moyens mobilisés pour notre formation.
Au Professeur Martin AÏNA, Maître de conférences des Universités ; Chef du Département de Génie Civil de l’École Polytechnique d’Abomey-Calavi, pour l’entrain et le dévouement au travail qu’il nous a transmis.
Au Docteur Crépin ZEVOUNOU, Maître Assistant des Universités Directeur du LERGC ; mon maître de mémoire, pour avoir accepté d’encadrer ce travail et de le conduire jusqu’au bout. Ce document n’aurait pu être réalisé sans ses conseils, sa disponibilité, son enthousiasme et cette confiance qu’il a placée en nous.
Au Docteur Ézéchiel I. ALLOBA Maître Assistant des Universités ; mon co-maître de mémoire ; pour l’assistance, les sages conseils et l’oreille attentive à nous toujours prêtée.
À tous les enseignants de l’École Polytechnique d’Abomey-Calavi, et en particulier à ceux du Département de Génie Civil, pour la qualité de l’enseignement transmis. Il s’agit notamment de :
Dr DEGBEGNON Léopold, Docteur Ingénieur en Géodésie ;
Pr GBAGUIDI Aïssè Gérard, Maître de conférences des Universités ;
Pr GBAGUIDI S. Victor, Maître de conférences des Universités ;
Pr GIBIGAYE Mohamed, Maître de conférences des Universités ;
Dr HOUINOU Gossou Jean, Docteur Ingénieur en Génie Minier et Topographie ;
Dr TCHEHOUALI Adolphe, Maître Assistant des Universités ;
Dr WANKPO Tonalémi Épiphane Sonon, Docteur Ingénieur en Hydraulique
Dr ZEVOUNOU Crépin, Maître Assistant des Universités ;
Dr ZINSOU Codjo Luc, Docteur Ingénieur en Génie Civil, Spécialiste en Mécanique des sols ;
Dr HOUINOU Agathe, Docteur Ingénieur en Génie Civil, Spécialiste en Mécanique des sols ;
Monsieur ZOHOUNGBOGBO Prosper, Ingénieur en Génie Civil ;
Monsieur SEWANOUDE Cosme, Docteur en comptabilité ;
Dr SIMICLAH Etienne, Docteur en droit ;
Mme Elena AHONONGA, Ingénieur en Génie Civil ;
Pr. Dominique SOHOUNHOULE, Maître de conférences des Universités ;
Pr. Villevo ADANHOUME, Maître de conférences des Universités ;
Monsieur LAADE Cyprien, Agent du LERGC à la retraite.
À tout le personnel du Bureau d’étude l’Acier Conseil et Service pour le cadre convivial et chaleureux à nous offert durant notre stage. En particulier à son premier responsable Monsieur Prosper ZOHOUNGBOGBO pour l’assistance, le soutien et l’entière disponibilité.
Tout le personnel du Ministère des Travaux Publics et des Transports et tout spécialement ceux de la DTN, de la DPSE et de la DDTTP-OP pour leur soutien, leur disponibilité et pour m’avoir facilité l’accès à certaines informations. Merci pour les échanges techniques et scientifiques, pour la sympathie et pour les informations mises à notre disposition. En particulier à Mr. Habib ADOMOU, chef Division des Données Routières (DDR)
À SOGEA-SATOM filiale du groupe VINCI, pour leur diligence à me soutenir dans la réalisation de ce travail en mettant à ma disposition outre les informations relatives au travail mais aussi les moyens de les réaliser efficacement. Tout particulièrement à Mme Monelle DOGUE chef section géotechnique et à Mr Fabrice ADISSO
À toute l’équipe du Centre national d’Essais et de Recherches en Travaux Publics (CNERTP), en particulier à Monsieur Septime GBAGUIDI, pour la grande disponibilité lors des essais et manipulations.
À tous ceux qui ont participés de près ou de loin à la réalisation de ce travail, par leurs conseils et leurs corrections. Spécialement aux Ingénieurs Crespin YABI et Gladys MILOHIN. Que Dieu vous bénisse.
À tous mes amis et camarades de la 6ème promotion pour avoir constitué la plus belle famille; l’entraide et la solidarité sont des qualités qui ont rendu très intéressante la formation.
La liste n’est certainement pas exhaustive. De ce fait, j’exprime mes vifs remerciements à tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué de quelque manière que ce soit, à l’édification de ma personne et à l’aboutissement de ce mémoire.
Enfin, j’aimerais porter mention particulière sur le fait que le cadre académique a été de tout temps accompagné par celui familial. Ainsi donc, je pense particulièrement à :
que tu puisses pleinement jouir de tous tes sacrifices.
Mesdemoiselles Douceline, Orose et Ophélie SONOU, mes sœurs, pour m’avoir soutenu et encouragé durant toute la formation. Je garde présents dans mon cœur tous les bons moments que nous avons passés ensemble. Recevez ici mes sincères remerciements pour la joie que vous m’avez donnés.
HOMMAGES
À nos Maîtres de Mémoire
Docteur Crépin ZEVOUNOU
Ce savant dosage des qualités qui sont les vôtres : calme, patience mais aussi rigueur scientifique, a toujours forcé notre admiration. De plus, votre attachement au travail et vos qualités de grand enseignant ont guidé le choix de votre personne en tant que maître de ce mémoire.
Hommages Respectueux Docteur Ingénieur Ézéchiel ALLOBA
La pédagogie, la disponibilité dont vous faites montre nous ont grandement fortifiée et ont davantage conforté notre désir de réussite dans le génie civil. Vous êtes un exemple qui témoigne de la rigueur scientifique au travail.
Hommages Respectueux
À nos Juges
Monsieur le président de jury.
Nous sommes très sensibles à l’honneur que vous nous faites en acceptant de présider le jury de notre mémoire.
Messieurs les membres de jury.
Vous nous faites un grand honneur en acceptant de juger ce travail. Nous sommes persuadé que vos remarques et critiques contribueront grandement à l’amélioration de la qualité scientifique du travail.
Hommages Respectueux
avons mené des essais géotechniques, qui ont abouti à la vérification du caractère gonflant et instable du sol de la zone d’étude : sol à une très faible valeur du CBR (maximum 4) et un fort gonflement GL >1%, ce qui justifie l’utilisation des géosynthétiques pour le renforcement de cette route. L’auscultation détaillée du tronçon étudié a abouti à la note de qualité Q2. Les valeurs d’uni : IRIm = 5,72 m/km montrent que la route est dans un bon état et qu’elle offre un bon confort aux usagers.
Les mesures combinées de la déflexion : dcmax = 27,36/100 mm et du trafic : TMJ=2990 Véhicules, montrent que le corps de chaussée a résisté pendant les quatre (4) années de service. Tandis que le tronçon non renforcé commence à se dégrader. Ce qui témoigne de la performance de la géogrille. Cette démonstration quoique vraie n’est pas suffisante ; nous avons effectué un dimensionnement de la chaussée suivant trois alternatives. L’alternative I non renforcé a servi de chaussée témoin ; l’alternative II, est renforcée en sa couche de base par une géogrille permet d’augmenter la durée de service de la chaussée ; l’Alternative III renforcée par la géogrille diminue l’épaisseur de la couche de base tout en maintenant sa durée de service. Après une analyse économique nous sommes parvenus à la conclusion que l’alternative III réduit le coût de construction de la route de 6,4% du coût initial. Quant à l’Alternative II elle n’est économique qu’à long terme. Ainsi, la géogrille est efficiente dans le renforcement de la chaussée. Ce qui explique sa performance sur le tronçon de la route Pobè-Kétou après notre auscultation. Nous nous sommes penchés sur l’utilisation du géotextile lors de la construction qui n’avait pas été concluante. Puisqu’une année après la mise en service de la route elle s’est dégradée. De notre analyse il ressort que cette contreperformance est due à la nature du géotextile.
Mots Clés : Géosynthétique, géogrille, géotextile, renforcement, dégradations.
ABSTRACT
This study is part of an evaluation of the performance of pavements on swelling and reinforced by geosynthetics soils. More specifically the road Pobè-Ketu. Indeed, the road Pobè-Ketu is a reference experience in building roads by geosynthetics in Benin in 1982 (by a geotextile) during the construction of the road again in 2009 (by a geogrid) at its rehabilitation . We conducted geotechnical testing, which resulted in the verification of character swelling and unstable soil in the study area: ground to a very low value of the CBR (up to 4) and a high GL > 1% inflation, which justifies the use of geosynthetics for building this road. Detailed auscultation of the studied section has resulted in the quality score Q2. The united values IRIm = 5.72 m / km show that the road is in good condition and offers good comfort to users. The combined measurements of deflection: dcmax = 27.36 / 100 mm and traffic: TMJ = 2990 vehicles, showed that the pavement has stood for four (4) years of service. While the unreinforced section begins to degrade. Reflecting the performance of the geogrid.
True though this demonstration is not sufficient, we conducted a pavement design following three alternatives. The unreinforced alternative I served as a control floor, alternative II, is enhanced by its base layer geogrid increases the service life of the pavement , the Alternative III reinforced by the geogrid reduces the thickness of the base layer while maintaining its service life . After an economic analysis we concluded that the alternative III reduces the cost of road construction 6.4 % of the initial cost. As for Alternative II is not economic in the long term. Thus, the geogrid is effective in strengthening the floor. This explains its performance on the stretch of road Pobè-Kétu after our auscultation. We examined the use of geotextile during construction that was not conclusive. Since a year after the commissioning of the road it has deteriorated.
Our analysis shows that this underperformance is due to the nature of the geotextile.
Keywords: Geosynthetics, geogrid, geotextile, reinforcement, damage.
Abstract ...viii
Sommaire ...ix
Liste des tableaux ...xi
Liste des figures ...xii
Liste des photos ...xiii
Liste des graphes ...xiv
Liste des sigles et abréviations...xv
Liste des annexes ... xviii
Introduction générale ...1
Première Partie : Étude Bibliographique ...7
Chapitre 1 : Généralité, localisation et problèmes occasionnés par les sols gonflants dans les ouvrages ...8
Chapitre 2 : Structures et dégradations des routes revêtues et leurs causes...28
Chapitre 3 : Procédés de construction des routes sur sols gonflants ...37
Deuxième Partie : Évaluation du comportement de la chaussée de la route Pobè- Kétou ...47
Chapitre 4 : Diagnostic de la chaussée ...48
Chapitre 5 : Caractéristiques géotechnique du sol de la zone d’étude...54
Chapitre 6 : Auscultation de la chaussée ...75
Troisième Partie : Étude comparative des sections renforcées et non renforcées... 100
Chapitre 7 : Étude comparative sommaire des tronçons renforcés et non renforcés de
la route Pobè-Kétou ... 101
Chapitre 8 : Dimensionnement et comparaison de deux types de structure renforcée par géogrille et une structure traditionnelle de chaussée ... 112
Conclusion et Suggestions ... 122
Références Bibliographiques ... 125
Annexes ... 132
Table des Matières ... 149
TABLEAU 5.4:LIMITES D'ATTERBERG DU PUITS 1A...61
TABLEAU 5.5:LIMITES D'ATTERBERG DU PUITS 2A...61
TABLEAU 5.6:LIMITES D'ATTERBERG DU PUITS 3A...62
TABLEAU 5.7:RECAPITULATIF DE LA TENEUR EN MATIERE ORGANIQUE ET POIDS SPECIFIQUE (PK2+480 A PK10+000) ...64
TABLEAU 5.8:CLASSIFICATION DE TAYLOR DES MATERIAUX DES PUITS 1A;2A ET 3A(PK2+480 A PK10+000) ...65
TABLEAU 5.9:ESSAI PROCTOR PUITS 1A ...68
TABLEAU 5.10:ESSAI PROCTOR PUITS 2A ...68
TABLEAU 5.11:ESSAI PROCTOR PUITS 3A ...69
TABLEAU 5.12 :RESULTATS DE L’ESSAI CBR DU MATERIAU DU PUITS 1A ...71
TABLEAU 5.13:MESURE DU GONFLEMENT 1 ...71
TABLEAU 5.14:RESULTATS DE L’ESSAI CBR DU MATERIAU DU PUITS 2A ...72
TABLEAU 5.15:MESURE DU GONFLEMENT PUITS 2 ...72
TABLEAU 5.16:RESULTATS DE L’ESSAI CBR DU MATERIAU DU PUITS 3 ...73
TABLEAU 5.17:MESURE DU GONFLEMENT PUITS 3 ...73
TABLEAU 6.1:REPRESENTATION SCHEMATIQUE DE LA DEFLEXION ...79
TABLEAU 6.2:RECAPITULATIF DES COMPTAGES DE TRAFIC DE 2002 A 2012 ...84
TABLEAU 6.3: RELEVE DES DEGRADATIONS SUR LE TRONÇON RENFORCE PAR GEOGRILLE ...91
TABLEAU 6.4:DETERMINATION DE LA NOTE DE QUALITE Q DU TRONÇON ETUDIE ...94
TABLEAU 6.5:DETERMINATION DU NIVEAU DE SERVICE D’UNE ROUTE EN FONCTION DES VALEURS D’UNI ...99
TABLEAU 7.1:RESULTATS ANALYSES GRANULOMETRIQUES PUITS 1B ... 102
TABLEAU 7.2:RESULTATS ANALYSES GRANULOMETRIQUES PUITS 2B ... 103
TABLEAU 7.3:RESULTATS ANALYSES GRANULOMETRIQUES PUITS 3B ... 104
TABLEAU 7.4:LIMITES D'ATTERBERG DU PUITS 1B ... 105
TABLEAU 7.5:LIMITES D'ATTERBERG DU PUITS 2B ... 105
TABLEAU 7.6:LIMITES D'ATTERBERG DU PUITS 3B ... 106
TABLEAU 7.7:RECAPITULATIF DE LA TENEUR EN MATIERE ORGANIQUE ET POIDS SPECIFIQUE SECTION 2 ... 107
TABLEAU 7.8:CLASSIFICATION DE TAYLOR DES MATERIAUX DES PUITS 1;2 ET3 DE LA SECTION ... 107
TABLEAU 8.1:CALCUL DU NOMBRE STRUCTUREL D'UNE CHAUSSEE NON RENFORCEE ALTERNATIVE I ... 115
TABLEAU 8.2:CALCUL DU NOMBRE STRUCTUREL D'UNE CHAUSSEE RENFORCEE ALTERNATIVE II ... 118
TABLEAU 8.3:COUT UNITAIRE DES DIFFERENTES COUCHES DE LA CHAUSSEE[24] ... 119
TABLEAU 8.4:COMPARAISON ECONOMIQUE DES TROIS ALTERNATIVES DE DIMENSIONNEMENT ... 119
LISTE DES FIGURES
FIGURE 1.1:STRUCTURE DE LA MONTMORILLONITE (GRIM,1968), CITE PAR [7] ...14
FIGURE 1.2:SCHEMA DE LA PARTICULE DE A) KAOLINITE, B) ILLITE, C) SMECTITE ET D) CHLORITE [7] ...19
FIGURE 1.3:RUPTURE PAR POINÇONNEMENT DU SOL DE FONDATION [8] ...23
FIGURE 1.4:SCHEMA DE LA RUPTURE CIRCULAIRE[8] ...24
FIGURE 1.5:DEUX TYPES DE RUPTURES PROVOQUEES PAR DES TERRASSEMENTS ULTERIEURS [1]..25
FIGURE 1.6:SCHEMA DU TASSEMENT ET DU DEPLACEMENT LATERAL DU SOL DE FONDATION [1] ...26
FIGURE 1.7:CARTE DE LA DEPRESSION MEDIANE [1] ...27
FIGURE 1.8:CARTE GEOLOGIQUE DU BASSIN SEDIMENTAIRE COTIER DU BENIN [9]...27
FIGURE 2.1:DIFFERENTES COUCHES D’UNE CHAUSSEE[11] ...29
FIGURE 2.2:STRUCTURE ET PROPRIETES DES CHAUSSEES SOUPLES [12] ...31
FIGURE 3.1:LES DIFFERENTES FAMILLES DE7 GEOSYNTHETIQUES [14] ...42
FIGURE 3.2:GEOTEXTILE NON TISSE (A GAUCHE) ET GEOTEXTILE TISSE (A DROITE) ...43
FIGURE 3.3:GEOGRILLE TRIAXIALE ...44
FIGURE 3.4:GEOGRILLE MONO-AXIALE ET BI-AXIALE ...44
FIGURE 3.5:GEOSYNTHETIQUE DE RENFORCEMENT...45
FIGURE 3.6:GEOSYNTHETIQUE POUR SEPARATION ENTRE SOL D'ASSISE ET FONDATION ...45
FIGURE 3.7:GEOSYNTHETIQUE DE FILTRATION ...45
FIGURE 3.8:GEOSYNTHETIQUE DE DRAINAGE ...45
FIGURE 3.9:GEOSYNTHETIQUE POUR ASSURER L'ETANCHEITE ...46
FIGURE 3.10:GEOSYNTHETIQUE ANTI-EROSION ...46
FIGURE 3.11:GEOSYNTHETIQUE ANTI-FISSURE ...46
FIGURE 6.1: SCHEMA DE PRINCIPE ILLUSTRANT LA DEFLEXION D’UN SOL SOUS L’EFFET DE PASSAGE D’UNE CHARGE ...77
FIGURE 6.2:POUTRE BENKELMAN ...78
FIGURE 7.1 :POTENTIELLES APPLICATIONS DES GEOSYNTHETIQUES DANS UN SYSTEME DE CHAUSSEE POSE EN COUCHES [22] ... 110
FIGURE 7.2:EFFET DE CONFINEMENT CONTRE EFFET DE MEMBRANE[23] ... 111
FIGURE 7.3:DIFFERENCE DE FONCTIONNEMENT ENTRE UN GEOTEXTILE ET UNE GEOGRILLE ... 112
FIGURE 8.1:MODE DE TRANSMISSION DES CHARGES POUR UNE STRUCTURE RENFORCEE ET NON RENFORCEE ... 121
FIGURE 8.2:GAIN EN MATERIAU GRANULAIRE PAR RAPPORT A UNE CHAUSSEE NON RENFORCEE. ... 121
PHOTO 7.3 :FISSURE LONGITUDINALE DE RIVE ... 109 PHOTO 7.4 :UN NID DE POULE... 109
LISTE DES GRAPHES
GRAPHE 4.1 :PROFIL TOPOGRAPHIQUE DE LA ZONE DE PROJET [15] ...49 GRAPHE 5.1:COURBE GRANULOMETRIQUE DES PUITS 1A;2A ET 3A(PK2+480 AU PK10+000) ...59 GRAPHE 5.2:LIMITES D'ATTERBERG DES PUITS 1A;2A ET 3A(PK2+480 AU PK10+100) ...62 GRAPHE 5.3:COURBE PROCTOR DES PUITS 1A;2A ET 3A(PK2+480 A PK10+000) ...70 GRAPHE 6.1:DEFLEXION CARACTERISTIQUE SUR L’AXE POBE-KETOU ENTRE LES PK2+000 ET
10+000 ...80 GRAPHE 6.2:PROJECTION DE TRAFIC DE 2002 A 2025 ...83 GRAPHE 6.3:VALEURS D’IRI EN FONCTION DU PK SUR L’AXE POBE-KETOU ENTRE LES PK2+000
ET 10+000 ...97 GRAPHE 6.4:RESULTAT DES MESURES DU DEFAUT D’UNI [17] ...98
DTN : Direction des Travaux Neufs.
RNIE : Route Nationale Inter États.
RN : Route Nationale.
RD : Route Départementale.
RC : Route Communale.
CEC : Capacité d’Echange Cationique.
TO : Feuillet formé par la liaison d’une couche Tétraédrique et d’une couche Octaédrique.
TOT : Feuillet formé par la liaison de deux couches Tétraédrique et d’une couche Octaédrique.
Wr : Déformation résiduelle.
Wt : Déformation totale.
PK : Point Kilométrique.
CNERTP : Centre National d’Essais et de Recherches en Travaux Publics.
LERGC : Laboratoire d’Essais et de Recherches en Génie Civil.
CBR: Californian Bearing Ratio.
OPM: Optimum Proctor Modifié.
LCPC : Laboratoire Central des Ponts et Chaussées.
CEBTP : Centre Expérimental de recherches et d’études du Bâtiment et des Travaux Publics.
d : Déflexion.
d1 : valeur de déflexion en-deçà de laquelle la chaussée se comporte bien.
d2 : valeur de déflexion au-delà de laquelle la chaussée est sujette à des dégradations.
dc : déflexion caractéristique.
dcmax : Valeur maximale de la déflexion caractéristique.
dm : déflexion moyenne.
: écart type.
PTF : Partenaire Technique et Financier.
TMJ : Trafic Moyen Journalier.
VIZIR : Méthode d’évaluation, de qualification et d’entretien d’un réseau routier de chaussées souples par système informatique.
IQS : Indice de Qualité Structurel.
E : Étendue de la dégradation.
G : Gravité de la dégradation.
If : Indice de fissuration.
Id : Indice de déformation.
Is : Indice global de dégradation.
AASHTO : American Association of State Transportation and Highway Officials SN: Structural Number
Mr: Resilient Modulus of subgrade or base So: Standard Deviation
ESAL: Equivalent Standard Axial Loads
LISTE DES ANNEXES
ANNEXE 1 :LA METHODE VIZIR[25] ... 133
ANNEXE 2:SCHEMAS D’ITINERAIRE DE PRELEVEMENT SECTION 1 ... 137
ANNEXE 3:SCHEMAS D’ITINERAIRE DE PRELEVEMENT SECTION 2 ... 138
ANNEXE 4 :LES CLASSIFICATIONS UTILISEES ... 139
ANNEXE 5:RESULTATS DE QUELQUES MESURES D’UNI SUR LE TRONÇON POBE-KETOU_2012 ... 144
ANNEXE 6:PROFIL EN TRAVERS TYPE DE LA SECTION DE LA ROUTE POBE-KETOU SUR SOL GONFLANT RENFORCE PAR GEOGRILLE DU PK2+480 AU PK10+000 ... 146
ANNEXE 7:DIFFERENTS SOUS-GROUPES DE LA FAMILLE DES DEFORMATIONS [15] ... 147
Introduction générale
1. 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 élémentaire est composé d’une couche tétraédrique de silicium et d’une couche octaédrique d’aluminium. D’un feuillet de kaolinite à l’autre des ions hydroxyles OH- des couches octaédriques sont en vis-à-vis d’un plan contenant des ions d’oxygène O2- de la couche tétraédrique ; dans ce cas, les liaisons interfoliaires résultent de l’effet composé de liaisons hydrogène et de forces de Van der Waals (Figure 1.3).[7]
Figure 1.2: Schéma de la particule de a) kaolinite, b) illite, c) smectite et d) chlorite [7]
Les caractéristiques de ces phyllosilicatessont résumées dans le tableau 1.2 Tableau 1.2: Caractéristiques des différentes familles d’argile [7]
nom type diamètre d'une
particule (µm)
surface spécifique en m2 / g
C.E.C en meq/ 100g
Kaolinite 1:1 0.1 - 4 10 - 30 3 - 15
Illite 2:1 0.1 - 1 100 - 175 25 - 40
Smectite
(montmorillonite) 2:1 0.1 700 - 840 80 - 100
Vermiculite 2 :1 0.1 760 100 - 150
Chlorite 2:1:1 0.1 20 5 - 15
Les minéraux interstratifiés
Ils résultent de l’empilement aléatoire ou ordonné suivant l’axe c, de plusieurs espèces de minéraux argileux (deux en général). Les combinaisons possibles entre les différents minéraux sont extrêmement nombreuses, mais seulement quelques-unes représentent la majorité des interstratifiés naturels.
1.2. Les mouvements d’eau dans les argiles
Il est important d'étudier ces mouvements parce qu'ils définissent les limites naturelles du sol argileux qui sont sujettes aux phénomènes d'imbibition et d'assèchement successifs.
Aussi, les conditions hydrologiques, hydrogéologiques et topographiques du milieu influent sur les mouvements d'eau dans les argiles. Ainsi dans la phase étude technique des projets de route dans des zones présentant des formations argileuses susceptibles au gonflement, il est impératif de connaître la position de la nappe, de même que les différentes fluctuations de celle-ci au cours des saisons. On doit également connaître l'intensité moyenne des eaux de pluie ainsi que la nature de leur
terrassements.[2]
1.3. Effet du gonflement-retrait
Les phénomènes de gonflement retrait ne peuvent exister que pour des situations transitoires d’écoulement. En effet, un sol à teneur en eau constante n’est pas affecté de variation volumique.
Ainsi, si au-dessus d’une nappe on pouvait imaginer que l’équilibre des teneurs en eau puisse être atteint, donc que les teneurs en eau au-dessus de la nappe décrivent la courbe de succion du sol, la stabilité au gonflement-retrait serait atteinte
Les isopièzes et les isoteneurs en eau ayant même allure, on relève dans l’exemple présenté que les échanges hydriques liés à une évaporation se font au pied ou sur les bords des talus : le remblai et la route constituant un obstacle à l’évaporation.
Le sol support dans l’axe de la chaussée ne subit que de très faibles variations de teneur en eau alors que latéralement, les fluctuations sont beaucoup plus fortes ; ces contrastes de teneur en eau peuvent également apparaître dans les remblais et les accotements de la chaussée. [2]
Dans cette situation, des processus différentiels de gonflement sous le remblai et les accotements de la chaussée sont inévitables et des désordres prévisibles.
Dans cette situation, deux solutions sont envisageables :
Construire une chaussée qui prenne en compte outre le trafic, les mouvements du sol ;
Ne pas admettre les mouvements, il est alors nécessaire de rechercher une assise profonde ou de compenser les pressions de gonflement du sol par la pression des terres.
Par ailleurs, dans certains cas, il pourra être opportun de repousser la zone de transition (forts contrastes de teneur en eau et gonflement) par un élargissement de l’ouvrage. Pour une chaussée on peut envisager ainsi de repousser les zones d’humidifications et de dessiccation, en élargissant les accotements et en imperméabilisant au-delà de la chaussée proprement dite. [2]
Pour la construction d’une route en remblai, la première option semble la plus simple et la plus logique. Il suffit alors de traiter la couche superficielle par un procédé approprié ou de le renforcer.
1.4. Problèmes posés par les sols gonflants en construction routière
Pour toute construction de remblais sur sol gonflant, il faut toujours éviter de provoquer la rupture du sol porteur afin de ne pas compromettre les constructions futures et créer des dommages importants sur les structures voisines.
La construction des remblais routiers sur les sols mouvants pose souvent d’importants problèmes tels que : les problèmes de stabilité et les problèmes de tassement. L’ignorance des tassements dans la phase d’étude d’un projet peut dès le début de la construction provoquer : [8]
Une déformation du remblai le rendant inapte à son usage initial ;
Des poussées parasites sur des structures enterrées proches (pieux, palplanches, etc.) jusqu’à leur rupture.
déformations du sol support qui se traduisent par des soulèvements importants du terrain naturel autour du remblai. Les deux ruptures généralement observées sont :
la rupture par poinçonnement :
Elle se traduit par un affaissement généralisé du remblai (qui pénètre dans le sol support) et un soulèvement du terrain naturel. Ce soulèvement induit des bourrelets qui se forment de part et d’autre des talus. La hauteur d’un bourrelet est la moitié de la hauteur du déplacement vertical du remblai.
Figure 1.3: Rupture par poinçonnement du sol de fondation [8]
la rupture de type circulaire
En raison de la géométrie des remblais routiers et talus, c’est le plus fréquent des types de ruptures de ceux-ci. Cette rupture, se manifeste par un enfoncement localisé du remblai. On enregistre la formation d’un bourrelet dans le sens du déplacement du remblai, due au soulèvement du terrain naturel. À la différence de
celle de la rupture par poinçonnement, la hauteur de ce déplacement est identique à celle du bourrelet qui se forme. Mais celle-ci varie en fonction des propriétés mécaniques du sol. Pour des raisons simplificatrices, on assimile généralement la ligne de rupture à une courbe circulaire et le glissement est dit rotationnel (Figure 1.4).
Figure 1.4: Schéma de la rupture circulaire[8]
a) Avec fissures de traction dans le remblai b) Sans fissures de traction dans le remblai
La rupture d’un sol mouvant par poinçonnement ou par glissement rotationnel, due au chargement excessif, est un phénomène rapide qui se produit pendant la construction ou peu de temps après (quelques jours au plus). Cependant des ruptures différées peuvent être notées plusieurs mois ou années après la construction du remblai. Celles-ci peuvent être dues soit à :
un chargement excessif du remblai en cours ou d’un ancien remblai (Figure 1.4-a),
un terrassement en pied de talus, par exemple lors du creusement d’une fouille (Figure 1.4b).
a- Rechargement du remblai b- Excavation en pied de remblai Figure 1.5: Deux types de ruptures provoquées par des terrassements ultérieurs [1]
1.4.2. Les problèmes de tassement
Contrairement à la rupture par défaut de stabilité, le tassement est une déformation lente du sol sous le poids du remblai qui se traduit :
Par un enfoncement vertical au centre du remblai ;
Par un enfoncement vertical combiné à un déplacement latéral du sol de fondation, sous l’emprise du remblai ;
Par un déplacement latéral de sol de fondation, hors de l’emprise du remblai.
Les déplacements verticaux ont couramment une amplitude de plusieurs dizaines de centimètres. Pour les couches très mouvantes ou de forte épaisseur, cette amplitude peut atteindre plusieurs mètres. Notons que ces déplacements sont plus importants dans l’axe du remblai vers la crête du talus, ce qui provoque une déformation de la plate-forme. Les déplacements horizontaux sont généralement plus faibles que les déplacements verticaux, le rapport entre les deux est fonction du coefficient de sécurité, de la géométrie du remblai et de l’épaisseur du sol expansif.[1]
Figure 1.6: Schéma du tassement et du déplacement latéral du sol de fondation [1]
1.5. Localisation des sols gonflants au Bénin
En région tropicale, les sols gonflants représentent 10% des sols Africains [2].
Ces sols se situent dans les régions semi-arides situées dans les zones tropicales ainsi que dans les régions tempérées où les précipitations sont plus faibles pendant toute ou une grande partie de l'année par rapport à l'évaporation.
Au Bénin, les sols mouvants à savoir les argiles et les tourbes se sont déposés d’une part dans une partie du bassin Voltaien et plus précisément dans la formation de la Pendjari et d’autre part dans le bassin sédimentaire côtier et en particulier dans la zone tertiaire. Dans cette dernière partie notons que nous avons une forte concentration de ces sols expansifs et plus précisément des argiles marneuses dans la dépression médiane du pays. Cette dépression s'étend sur près de 25 km de large, de l'Est (Pobè, Adja-Ouèrè, Issaba, Onigbolo) à l'Ouest (Allada, Toffo, Ouèdèmèetc) et est estimée à plus de 3000 Km². On dénombre des poches d’argiles et de tourbe autour du lac Nokoué, de la rivière Djonou de Godomey, et de la lagune de Porto-Novo.
Figure 1.7: Carte de la dépression médiane [1]
Figure 1.8: Carte géologique du bassin sédimentaire côtier du Bénin [9]
2. Chapitre 2 : Structures et dégradations des routes revêtues et leurs causes
Une structure routière est constituée d'un certain nombre d'assises superposées qui ont pour rôle essentiel de supporter les charges de trafic et d'assurer leur diffusion selon des niveaux de contraintes supportables par le sol d'infrastructure[10].
Par ailleurs, cette diffusion des contraintes issues du trafic doit se faire de façon parfaitement élastique au niveau des différentes couches composant la superstructure.
En effet lorsque la contrainte de chargement transmise à travers une couche de chaussée devient supérieure à la charge admissible que celle-ci peut supporter. Il s'amorce un processus de dégradation qui conduit inévitablement à la ruine de la structure.
2.1. Les différentes couches de chaussées revêtue
D’une façon générale, une chaussée est composée d'une suite de couches de matériaux aux caractéristiques et aux fonctionnalités diverses mises en œuvre sur un support appelé sol support ou sol de plateforme. Ces couches sont généralement : la plateforme, la sous-couche de fondation, la couche de fondation, la couche de base, la couche de surface
Figure 2.1: Différentes couches d’une chaussée[11]
2.1.1. La plateforme
Elle est d'une importance capitale car la plupart des méthodes de dimensionnement s'appuient sur la résistance au poinçonnement du sol de plateforme.
Elle est généralement constituée :
D'un sol support c'est-à-dire le sol terrassé devant recevoir la route et pouvant être en remblai ou en déblai.
D'une couche de forme (éventuellement). Elle est rattachée aux terrassements dont elle constitue la partie supérieure et n'est mise en place que dans des cas particuliers, notamment pour permettre le passage des engins de chantier sur sol mouvant.
2.1.2. La sous-couche de fondation
C'est un écran entre les matériaux mis en œuvre dans les terrassements et ceux employés en couche de fondation ou de base lorsque la première n'existe pas.
Selon le rôle qu'elle est appelée à jouer, elle est dite sous-couche anticontaminante ou sous-couche drainante et anticapillaire.
2.1.3. La couche de fondation
Elle repose directement sur une sous-couche ou sur le sol de plateforme. Elle est généralement absente sur les routes africaines du fait que ces dernières reposent souvent sur des sols de portance qui permettent de s'en passer. Elle est réalisée aux endroits marécageux ou constitués de sols argileux. En général, seules les plateformes de CBR inférieur à 30 reçoivent une couche de fondation. Celle-ci assure la diffusion descontraintes afin de les ramener à un taux compatible avec la portance du sol de forme. Les matériaux de la couche de fondation doivent être de qualité satisfaisante, sinon on doit recourir à un traitement (amélioration ou stabilisation) ou la renforcée par un matériau géosynthétique.
2.1.4. La couche de base
Elle repose sur la couche de fondation et constitue avec elle ce qu'on appelle les couches d'assise. C'est la couche d'assise la plus proche du revêtement, raison pour laquelle elle reçoit des contraintes et des déformations notables (contraintes verticales de compression importantes et efforts de cisaillement d'autant plus importants que le revêtement est mince). Celles-ci font que les matériaux utilisés doivent présenter de meilleures performances mécaniques que ceux utilisés en couche de fondation. Si la couche de base présente une rigidité trop élevée par rapport à celle de la couche de fondation, il se produit un effet de dalle et des contraintes de traction apparaissent au niveau de l'interface base-fondation causant ainsi des fissurations. Ainsi, elle doit avoir un grand indice portant CBR supérieur à 80. Sinon il faudra procéder à un traitement soit avec un liant hydraulique, soit avec un liant hydrocarboné.
2.1.5. La couche de surface
La couche de surface ou revêtement de la chaussée permet d'adoucir la surface de roulement, d'assurer la distribution des charges transmises dans la chaussée et dans le sol et de protéger l'assise contre l'action du trafic et des intempéries. La couche de surface est constituée de :
Figure 2.2: Structure et propriétés des chaussées souples [12]
2.2. Les différentes structures de chaussée
Selon la formation des différentes couches et leur disposition dans la structure de la chaussée, on classe en plusieurs familles de structures de chaussées. Le Guide technique de conception et de dimensionnement des structures de chaussée du LCPC distingue les structures : souples, semi-rigides, rigides, inverses, mixtes, et bitumineuses épaisses.
2.2.1. Les chaussées souples et flexible
Elles sont constituées d'une couche bitumineuse en surface et d'une assise en matériau granulaire non lié. L'épaisseur globale de la chaussée est généralement comprise entre 30 et 60 cm et dépend du trafic souvent faible et du climat.
Ces chaussées tiennent leur nom du fait qu'elles ont l'aptitude de se déformer sans se rompre sous l'action des sollicitations. Elles distribuent les efforts de surface à travers les couches de base et de fondation de façon que l'effort sur la plate-forme soit compatible avec la résistance de l'infrastructure et du sol.
2.2.2. Les chaussées semi-rigides
Encore appelées chaussées à assise traitée aux liants hydrauliques, elles se différencient des chaussées souples par le fait que la couche de base doit être traitée au liant afin de lui conférer une rigidité plus élevée. La chaussée ainsi obtenue supporte un trafic plus élevé et les contraintes transmises au sol support sont aussi plus faibles.
D'une épaisseur variant généralement entre 20 et 50 cm, la structure se compose d'un revêtement bitumineux d'une couche de base améliorée au ciment et d'une couche de fondation en matériaux granulaires traités ou non.
2.2.3. Les chaussées rigides
Ces structures comportent une couche de béton de ciment de 15 à 40 cm d'épaisseur qui sert de couche de roulement, éventuellement recouverte d'une couche mince en matériaux bitumineux. La couche de béton repose soit sur une couche de fondation (en matériaux traités aux liants hydrauliques ou en béton maigre), soit sur une couche drainante en grave non traitée, soit sur une couche d'enrobé reposant elle- même sur une couche de forme traitée aux liants hydrauliques. Pour des trafics élevés, ces types de chaussées ont des performances mécaniques très intéressantes, comparées aux autres types de structures et leur durée de vie est beaucoup plus élevée.
2.2.4. Les chaussées mixtes
Ces structures comportent une couche de roulement et une couche de base (10 à 20 cm) en matériaux bitumineux sur une couche de fondation en matériaux traités aux liants hydrauliques (20 à 40 cm). Les structures qualifiées de mixte sont telles que le rapport de l'épaisseur de matériaux bitumineux à l'épaisseur totale de chaussée soit de l'ordre de 1/2.
