Réutilisation d'argiles très plastiques (A4) en remblai : Suivi du comportement après trois ans de réalisation

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Réutilisation d’argiles très plastiques (A4) en remblai :

Suivi du comportement après trois ans de réalisation

Véronique Berche, Nicolas Robert, Yasmina Boussafir, Valéry Ferber

To cite this version:

Véronique Berche, Nicolas Robert, Yasmina Boussafir, Valéry Ferber. Réutilisation d’argiles très plas-tiques (A4) en remblai : Suivi du comportement après trois ans de réalisation. Colloque TerDOUEST 2013, Jun 2013, MARNE LA VALLEE, France. 10p. �hal-01205489�

REUTILISATION D’ARGILES TRES PLASTIQUES (A4) EN REMBLAI : SUIVI

DU COMPORTEMENT APRES TROIS ANS DE REALISATION

USE OF VERY HIGH PLASTIC CLAYED MATERIALS (A4) IN EMBANKMENT : MONITORING OF THE COMPORTMENT AFTER THREE YEARS

Véronique BERCHE1, Nicolas ROBERT1, Yasmina BOUSSAFIR2, Valery FERBER3 1

CETE Nord-Picardie – Département Risques et développement des Territoires, St-Quentin, France 2

IFSTTAR – Département Géotechnique, Marne-la-Vallée, France 3

Entreprise CHARIER TP – Nantes, France

RÉSUMÉ – Cet article présente la réalisation de remblais en argile très plastiques en 2003 sur l’A34

dans les Ardennes (France) ainsi que les résultats du suivi du comportement de ces remblais dans le temps. Après un bref rappel des conditions de réalisation de ces remblais, un résumé des résultats de portance et de densité à court et moyen terme sera exposé. Dans un deuxième temps, des résultats de densité (double sonde Gamma et passage au banc Gamma) et essais Dynaplaque réalisés en 2006 seront commentés. Dans un troisième temps, les résultats obtenus sur des échantillons prélevés en 2011 seront présentés, la synthèse des différentes analyses sera faite dans la conclusion.

Mots-clés : argiles plastiques, réutilisation, remblai, évolution, compactage

ABSTRACT – The purpose of this article is to describe the realisation of experimental embankments of

A34 (Ardennes) with high plastic clayey materials and the following of the geotechnical caracteristics with time. After a short description of the realisation of the embankments, an analysis of the short term and mid term results regarding density and the bearing capacity are shown. In a second time, density results (determined with double Gamma probe and « banc Gamma ») and bearing capacity (assessed with Dynaplaque in 2006) are commented. In a third time, results obtained in 2011 and pictures of the embankments are shown. A synthesis of all the analysis is presented in the conclusion.

Keywords: plastic clayed materials, re-using, embankment, evolution, compaction

1. Conditions de réalisation des remblais expérimentaux 1.1 Rappel du contexte

La réalisation des remblais expérimentaux a été décidée lors des études de l’autoroute A34 et financée par la DDT (Direction Départementale des Territoires, anciennement DDE) des Ardennes. La problématique rencontrée lors des études de projet du tracé résidait dans un déficit de matériaux de bonnes qualités au détriment d’argiles très plastiques d’âge cénomanien posant problèmes pour un réemploi en l’état en remblai. Compte-tenu des enjeux, des études approfondies ont été réalisées en laboratoire pour définir les modalités de mise en œuvre de ces matériaux et la méthodologie de réalisation de remblais expérimentaux en dehors de la section courante par le CETE Nord Picardie et l’IFSTTAR, ces essais en vraie grandeur permettant de valider le réemploi des argiles très plastiques.

1.2 Caractéristiques des matériaux

Deux types d’argile sont rencontrées sur la section Faissault Berthoncourt : des argiles vertes à bariolées et des argiles marneuses noires, toutes classées A4 au sens de la NF P11-300. Les caractéristiques de ces matériaux sont synthétisées dans le tableau I.

Tableau I. Synthèse des caractéristiques des argiles

Argiles plastiques vertes Argiles marneuses noires Limite de liquidité de 71 à 98 % (Moyenne : 81,7%) de 85 à 121 % (Moyenne : 100,8%) Indice de plasticité De 44 à 59 (Moyenne : 49,6) de 60 à 77 (Moyenne : 69) Passant à 80 µm de 70,3 à 99,2 % (Moyenne : 90,5%) de 67,3 à 99,7 % (Moyenne : 96.4%) Teneur en eau naturelle de 25 à 39%

Moyenne : 33,2 %

de 32 à 45% Moyenne : 38,2 %

Des suivis de gonflement réalisés sur des matériaux compactés en moule CBR ont été effectués sur ces matériaux à l’état naturel et avec un traitement à 3% de chaux. La mesure de gonflement a été réalisée après une immersion de trois semaines (figure 1 - nota : AT = argile plastique).

Figure 1. Evolution du gonflement

L’ensemble des résultats de ces études est détaillé dans les articles cités en référence [1] et [2]. C’est l’argile verte qui a finalement été retenue pour un réemploi en remblai car présentant le moins de risques de gonflement, avec un traitement à 2 et 3% de chaux.

Des études d’aptitude au traitement ont également été réalisées sur les argiles vertes traitées à la chaux et au liant hydraulique en vu d’un réemploi en couche de forme. Ces résultats sont présentés dans le tableau II. Malgré l’obtention de résultats non probants au sens de la norme NF P94-100 (le traitement est réputé douteux pour une valeur de gonflement Gv > 5% ou un Rtb < 0,2 MPa), il a été décidé de tester la réalisation d’une couche de forme traitée à 3% de chaux et 7% de liant. Cette couche de forme a été réalisée sur le remblai expérimental traité à 3% de chaux.

Tableau II. Résultats des études d’aptitude sur les argiles vertes

Composition mélange N° échantillon B1090 N° échantillon B1093 N° échantillon B1094 N° échantillon B1095 N° échantillon B1096 Argiles vertes% 91.5% 93.0% 92.0% 91.0% 90.0% Chaux vive% 2.5% 2.0% 3.0% 2.0% 3.0% Liant hydraulique% 6.0% 5.0% 5.0% 7.0% 7.0% Rtb (MPa) 0.13 0.16 0.12 0.16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 gonflement AT verte naturelle AT marneuse noire naturelle AT verte traitée à 3% de chaux

AT marneuse noire traitée à 3% de chaux date g o n fl e m e n t ( m m ) Temps (jour)

1.3 Méthodologie de mise en œuvre et de suivi

1.3.1 Géométrie des remblais expérimentaux : Un remblai traité à 2% de chaux et un remblai accolé traité à 3% de chaux

La géométrie des remblais est la suivante :

− longueur : 100 mètres,

− largeur : 10 mètres en haut du remblai,

− hauteur : 1.50 mètre

− espacement : 4 mètres

− réalisation d'une couche de forme uniquement sur le remblai traité à 3% de chaux 1.3.2 Paramètres testés

Les paramètres testés étaient le pourcentage du traitement (2 ou 3% de chaux), le type de compacteur (cylindre vibrant V5 ou compacteur à pied dameur VP5) et l’énergie de compactage (moyenne ou intense). La figure 2 schématise les modalités suivies.

VP5 5 passes Ep=0,30 m 5 couches Compactage moyen V5 6 passes Ep=0,30m 5couches Compactage moyen VP5 6 passes Ep=0,25m 6couches Compactage intense V5 8 passes Ep=0,25m 6 couches Compactage intense

Ep : épaisseur maximale des couches élémentaires de compactage V5 : compacteur vibrant lisse de classe 5 (SETRA-LCPC, 2000)

VP5 : compacteur vibrant à pieds dameurs de classe 5 (SETRA-LCPC, 2000)

Figure 2. Schéma de la réalisation des remblais Le protocole de réalisation des remblais est le suivant :

− traitement à 1% au déblai, puis finalisation du traitement en remblai par l’adjonction de 1 % ou 2 % de chaux,

− malaxage systématiquement au pulvimixeur,

− mesures pour chaque couche du module dynamique à la Dynaplaque 1 et de la masse volumique sèche au Gamma-densimètre à Profondeur Variable mlpc© (GPV)

− mesures du module dynamique (Dynaplaque 1) à 105 jours et 114 jours (avant réalisation de la couche de forme)

Les caractéristiques des matériaux à la mise en œuvre sont données dans le tableau III. Tableau III. Caractéristiques Proctor des matériaux utilisés

Matériau naturel Matériau à 2% de chaux Matériau à 3% de chaux

ρ d OPN (t/m3) 1,50 1,37 1,38

W OPN (%) 24 25 (avant traitement) 31 (avant traitement)

1.3.3 Suivi de la montée des remblais

La réalisation des remblais expérimentaux a eu lieu entre le 16 juin et le 4 juillet 2003, période qui a été très sèche dans les Ardennes. Afin de monter les remblais de façon optimum et par souci d’homogénéisation, le fond de forme de chaque remblai a été décapé, la surface aplanie et recompactée. Un géotextile a ensuite été posé, puis surmonté par un tout venant calcaire 0/300 mm afin d’obtenir un effet d’enclume (figure 3). La réception de cette surface a été réalisée à la Dynaplaque 1. Le matériau est d’abord traité en place au déblai à 1% de chaux (figure 4) avant extraction, puis le traitement est ajusté au remblai pour atteindre le dosage souhaité 2 ou 3% de chaux.

Figures 3 et 4. Apport de tout venant, extraction du matériau pré-traité au déblai

La mouture obtenue après traitement au remblai est relativement fine (figure 5) avant le compactage (figure 6).

Figure 5. Mouture de l’ordre 0/31,5 mm Figure 6. Compactage 2. Résultats à court et moyen terme

L’ensemble des résultats décrits ci-après est détaillé dans les articles cités en référence [1] et [2]. 2.1 Evolution du module dynamique

2.1.1 Evolution à court terme

La Dynaplaque (référence) est un outil permettant d’évaluer le module dynamique (EVDYN) d’un

matériau grâce à la mesure de la réaction du sol sous la chute d’un poids reproduisant l’équivalent d’un essieu de 13 tonnes. Le diamètre de la plaque permet d’évaluer ce module sur environ 80 cm de profondeur.

Les résultats obtenus à la surface du remblai expérimental montrent que les meilleurs modules sont obtenus à court terme pour un compactage intense au compacteur vibrant lisse (V5) avec un dosage en chaux de 2%. Dans les conditions de réalisation, on obtient un module supérieur à 40 MPa pour plus de 83 % de mesures réalisées. L’objectif des 40 MPa n’est pas atteint avec un compactage intense au compacteur à pieds dameurs (VP5). De plus, les résultats obtenus avec le compacteur à pieds dameurs sont peu sensibles à l’énergie de compactage, quel que soit le dosage en chaux, alors que cette énergie permet d’améliorer la portance avec le compacteur vibrant lisse. Pour expliquer cette apparente inefficacité du compacteur à pieds dameurs, il faut rappeler que l’énergie intense au VP5 a été définie pour 6 passes de compacteur au lieu de 8 passes pour le compacteur V5 (tableau IV), préconisations issues des tableaux du GTR pour les sols A3.

Une autre information résultant de ces mesures est que l’augmentation de teneur en chaux n’améliore pas les modules à court terme et conduit plutôt, au contraire, à leur diminution. Ceci proviendrait du fait qu’une énergie de compactage plus importante serait nécessaire pour un dosage en chaux plus élevé.

2.1.2 Evolution à moyen terme

Les figures 7 et 8 représentent les évolutions des modules dynamique jusqu’à 105 jours après mise en œuvre des argiles traitées à 2 ou à 3% de chaux.

Figure 7. Evolution du module dynamique pour l’argile verte traitée à 2% de chaux

Figure 8. Evolution du module dynamique pour l’argile verte traitée à 3% de chaux On constate :

− les valeurs moyennes des modules trois mois après la mise en œuvre sont légèrement améliorées lorsque le dosage passe de 2% à 3% de chaux, mais n’augmentent pas significativement,

− une difficulté d’appréciation de la prise pouzzolanique au travers de la mesure du module dynamique est due au fait que les remblais sont exposés aux agents météoriques, .

2.2 Evolution des masses volumiques sèches 2.2.1 Mesures au GPV

Deux à trois valeurs de masse volumique sèche ont été effectuées sur chaque couche immédiatement après la mise en oeuvre.

On a ainsi pu constater que :

− les taux de compactage obtenus sont supérieurs à 92%, 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 120 Temps (jours) P o rt a n c e ( M P a ) V5 - 6 passes - e = 30 cm V5 - 8 passes - e = 25 cm VP5 - 5 passes - e = 30 cm VP5 - 6 passes - e = 25 cm 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 20 40 60 80 100 120 Temps (jours) P o rt a n c e ( M P a ) V5 - 6 passes - e = 30 cm V5 - 8 passes - e = 25 cm VP5 - 5 passes - e = 30 cm VP5 - 6 passes - e = 25 cm

− les masses volumiques sèches obtenues avec un compactage intense sont supérieures à celles obtenues avec un compactage moyen,

− les masses volumiques sèches obtenues sur le remblai traité à 2% de chaux sont plus importantes que celles obtenues sur le remblai traité à 3% de chaux. Ceci expliquerait au moins en partie les meilleures portances observées pour le traitement à 2 % de chaux

− à 2% de chaux, les masses volumiques sèches sont nettement supérieures avec un compacteur V5 qu’avec un VP5, et dépassent même ponctuellement l’optimum Proctor normal.

2.2.2 Mesures à la double-sonde

Pour les deux remblais, les principaux résultats effectués un an après la mise en œuvre sont les suivants :

− en profondeur, les valeurs des masses volumiques sèches sont plus importantes (phénomène du à l’effet d’enclume de la première couche)

− les masses volumiques sèches sont plus importantes avec le compacteur VP5 qu’avec le compacteur V5 à énergie de compactage identique, ce résultat est plus marqué sur le remblai traité à 2% de chaux.

3. Résultats à long terme

3.1 Evolution des modules dynamiques

Des essais à la Dynaplaque 2 ont été effectués en 2006 sur les deux remblais soit 3 ans après leur réalisation. Les résultats obtenus sont synthétisés dans le tableau IV.

Ces mesures sont à prendre avec précaution car :

− les plages d’application des Dynaplaques 1 (D1) et 2 (D2) sont différentes,

− le remblai traité à 3% de chaux est « protégé » par une couche de forme et donc les valeurs mesurées dans ce cas intègrent une partie de la couche de forme et du remblai,

− les remblais sont exposés aux conditions météorologiques et les états de surface sont dégradés.

Ceci explique la diminution des valeurs obtenues entre 2003 et 2006, les résultats obtenus par la Dynaplaque étant très sensibles à l’état de la surface du sol.

Tableau IV. Evolution des modules dynamiques (EVDYN1 et EVDYN2) entre 2003 et 2006

On pourra à ce stade constater une évolution relativement bonne des modules dynamiques de la section traitée à 3%. C’est un peu moins le cas pour l’argile verte traitée à 2% où les modules ont tendance à plafonner. Il faut signaler que la plateforme a subi entre 2003 et 2006 des cycles de gel/dégel non négligeables dans les Ardennes, ce qui contribue à la dégradation de la plate forme et à l’évaluation du module par la Dynaplaque.

5*VP5( 30cm) 6*V5(30cm) 6*VP5(25cm) 8*V5(25cm) D1 156/109/217/158/151/140 155/179/230/182/199/135 121/134/192/149/47°/127 70°/136/196/185/187/101 moyenne 155 180 128( 145) 146 ( 161) D2 154/147/98/191/83/87 92/200/151/169/118/80 54/96/128/158/103/110 82/173/163/225/168/96 moyenne 130 135 108 151 105 J+ 124/128/135/77/127 59/22/98/73/20 32/58/54/64/73 84/53/22/31/48 mesures 2003 moyenne 118.2 54.4 56.2 47.6

3% chaux couche de forme 221/209/203/187/235 197/232/229/234/187 216/216/196/243/101 236/236/220/237/245

moyenne 211 216 194 235 D1 29/30/51/41/31/44 71/46/94/63/62/45 24/22/28/26/16/22 44/70/49/44/69/53 moyenne 38 64 23 55 D2 43/34/43/45/46/34 36/46/71/66/60/54 29/30/<20/31/33/38 55/70/49/44/69/53 moyenne 41 56 32 57 105 J+ 43/37/64/31/41 88/71/80/53/57 25/24/24/24/26 50/69/70/64/63 moyenne 43.2 70.8 24.6 63.2 114J+ 33/36/41/41/54 113/49/46/64/57 33/30/35/34/26 49/43/52/44/125 moyenne 41 66 32 63 mesures 2006 3% chaux mesures 2006 2% chaux mesures 2003 2% chaux

3.2 Evolution des masses volumiques sèches

Deux types de mesures ont été effectués en 2006 : des mesures au banc gamma sur des carottes prélevées et des mesures au PDG 1000 à proximité de celles effectuées en 2003.

3.2.1 Mesures au banc gamma

De façon à pouvoir obtenir un suivi au moins qualitatif des densités en place, les carottes prélevées ont été analysées au banc gamma dans leur gaine. Un protocole de passage au banc gamma a été effectué tenant compte des teneurs en eau et de la nature des matériaux testés. Pour chaque bande de chaque remblai, trois carottes ont été prélevées.

Pour le remblai traité à 2% de chaux, on visualise :

− les dégradations en surface,

− la position de la GNT faisant office d’enclume,

− une relative homogénéité des mesures effectuées pour chaque bande. Un exemple est donné sur la figure 9 réalisé sur la bande du V5 , couche de 25cm d’épaisseur et 8 passes.

Pour le remblai traité à 3% de chaux, les mêmes constatations peuvent être faites comme le montre l’exemple représenté sur la figure 10 sur la bande du V5 couche de 25 cm d’épaisseur et 8 passes.

La comparaison des graphiques entre les remblais montre que le remblai traité à 3% de chaux semble plus « destructuré » que celui à 2% ceci n’étant du, comme on le constatera en ouvrant les carottes qu’aux caractéristiques « plus séches» et « moins plastiques» des matériaux constitutifs du remblai traité à 3% de chaux. A titre indicatif, le trait double vertical représente la masse volumique correspondant à 95% de l'OPN.

Figure 9. Résultats au banc gamma pour le remblai traité à 2% de chaux

Figure 10. Résultats au banc gamma pour le remblai traité à 3% de chaux

3.2.2 Mesures au Pénétrodensitographe PDG 1000

Le Pénétrodensitographe de type PDG1000 permet d’évaluer la compacité des sols grâce à l’enregistrement de l’enfoncement d’une tige à chaque coup (référence). Trois mesures au PDG 1000 ont été réalisées par bande pour chaque remblai en 2006. Les mesures réalisées au PDG 1000 entre 2003 et 2006 montrent relativement peu de variation.

Pour le remblai traité à 2% de chaux, de façon identique avec les résultats du banc gamma, on retrouve une certaine homogénéité de mesures (figure 11 : bande V5 épaisseur 25 cm 8 passes). La résistance à l’enfoncement entre 2003 et 2006 montre une relative stabilité même en surface, et malgré l’exposition de ce remblai aux agents météorologiques.

0,70 0,90 1,10 1,30 1,50 1,70 0 20 40 60 80 100 120 140 160 CLOU 25 CLOU 27 CLOU 29 MVA sèches en g/cm³ P ro fo n d e u r e n c m 0,70 0,90 1,10 1,30 1,50 1,70 0 20 40 60 80 100 120 140 160 CLOU 19 CLOU 21 CLOU 23 MVA sèches en g/cm ³ P ro fo n d e u r e n c m

Figure 11. Mesures 2003-2006 au PDG 1000, remblai 2% de chaux 8 passes V5 (25 cm) Pour le remblai traité à 3% de chaux, on constate :

− une bonne homogénéité des mesures entre 2003 et 2006 notamment pour les bandes sur lesquelles le V5 a été utilisé (figure 12 : V5 épaisseur 25 cm nombre de passes 8)

− une sensible augmentation de la résistance à l’enfoncement

− un fort contraste de résistance à l’enfoncement sur les 30-40 premiers centimètres du à la présence de la couche de forme

Figure 12. Mesures PDG 1000 : 2003-2006 remblai à 3%de chaux

De façon générale, on constate une certaine augmentation de la résistance dans les deux remblais avec le temps qui pourrait résulter de la prise pouzzolanique à long terme.

3.3 Visualisation des matériaux

Lors de l’ouverture des carottes, il a été constaté :

− pour le remblai à 2% de chaux : un matériau relativement cohérent (figure 13) mais qui se « disloque » facilement en laissant apparaître des petites particules de chaux (figure 14) montrant que le mélange au pulvimixeur était moins homogène que prévu initialement.

Profondeur Clou 23( 2006) P12 (2003) E n fo n c e m e n t 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 10 20 30 40 50 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 10 20 30 40 50 60 3% chaux 8 V5 (25cm) sub-title clou 25 ( 2006) P13 ( 2003) profondeur (mm) e n fo n c e m e n t

Figures 13 et 14. aspect du matériau traité à 2% de chaux

− pour le remblai traité à 3% de chaux : un matériau également relativement cohérent (figure 15) mais qui s’effrite plus facilement ou se débite en plaquette (figure 16)

Figures 15 et 16. Aspect du matériau traité à 3 % de chaux

A noter que l’aspect cohérent de ces carottes est tout à fait relatif, car lors de leur maniement, il a été impossible de confectionner des moules oedométriques intacts dans ces échantillons. Ceci montre les profondes modifications apportées par le traitement sur les matériaux très plastiques d’origine.

3.4 Suivi réalisé en 2010

Une troisième série d’investigation a été effectuée en 2010 avec le CNRS d’Orléans.

L’ensemble des résultats obtenus par le CNRS a fait l’objet d’un rapport de recherche en 2012 [3]. Une amélioration des propriétés géotechniques des matériaux traités a été relevée notamment une diminution de l’indice de plasticité (Ip d’environ 15), l’influence du traitement sur les pressions de gonflement est également notée ainsi que l’augmentation des résistances à la compression.

Une certaine prudence quant à l’analyse des résultats obtenus reste cependant nécessaire du fait du manque de cohésion des matériaux (figure 17) : il a été ainsi impossible d’effectuer des prélèvements d’échantillons non remaniés. On notera enfin l’apparente résistance de la couche de forme (figure 17).

Figure 17. Extraction de matériau à la pelle (remblai traité à 3% de chaux)

4. Conclusions

Les remblais expérimentaux de l’A34 sont suivis maintenant depuis une dizaine d’année. Ils montrent que la réutilisation en remblai de matériaux très plastiques est envisageable moyennant certaines conditions de mise en œuvre (matériel et conditions météorologiques).

On a pu constater l’apport, sur les caractéristiques géotechniques, du traitement à la chaux de façon relativement pérenne.

Un travail complémentaire sur la définition du compactage pour ce type de matériau lors de leur mise en œuvre reste à finaliser : en faisant varier par exemple le nombre de passe afin d’augmenter l’énergie de compactage.

Il reste maintenant à adapter ces techniques à des remblais d’hauteur plus importante et à travailler sur l’efficacité et la durabilité du traitement sur l’insensibilité aux variations d’état hydrique, notamment dans les talus.

5. Références bibliographiques

[1] Berche V, Jeanjean P, Ferber V (2005) Use of very high clayed materials in fill construction. Experimental embankments of A34 Motorway. Section Faissault Bertoncourt .TREMTI symposium [2] Berche V , Jeanjean P, Rossigny P, Ferber V, Quibel A (2007) Réutilisation d’argiles très plastiques en corps de remblais routiers : expérimentations sur le chantier de l’Autoroute A34 (Charleville-Rethel) BLPC 2007.

[3] Bouasker M, Al-Mukhtar M (2012) Durabilité du traitement à la chaux des remblais expérimentaux de l’A34. rapport Terdouest