Introduction
La croissant nécessité d'occupation de terrains alluvionnaires et colluviaux pour permettre la construction de nouvelles structures a conduit à la croissante recherche de nouvelles solutions de traitement de sol et de fondations de façon à optimiser les délais d'exécution et les questions économiques et financières, répondant en sécurité aux plusieurs problèmes rencontrés. On présente dans cet article le cas de l'exécution d'un bâtiment industriel construit dans la ville de Fréjus, en France, où on a appliqué la technologie de Cutter Soil Mixing (CSM) pour l'amélioration des sols de fondation, étant donné la présence sur le site de l'ouvrage d'un terrain de décharges sus-jacentes a une couche de sol colluvial avec des caractéristiques inadéquates pour réaliser la fondation de ce nouveau bâtiment industriel.
Le bâtiment présente, en planimétrie, une géométrie rectangulaire, avec une surface d'implantation d'environ 3800 m². Dans la Figure 1 on peut observer la localisation de l'ouvrage en étude.
La principale préoccupation dans la conception de la solution présentée c'est focalisée au niveau de la minimisation des tassements totaux et différentiels de la structure du bâtiment. Par rapport au contexte geológique-geotéchnique trouvé dans le site de l'ouvrage, il a été nécessaire de garantir la transmission des efforts de la structure à la couche compétente de caractéristiques géomécaniques (marnes gréseuses), détecté a des profondeurs variables, entre les 3 et les 7 m. La solution proposée pour transmettre les efforts à ce support a consisté l'exécution d'une maille régulière de panneaux de sol-ciment exécuté à l'abri de la technologie de CSM, réalisés sur une couche de 0.60 m de hauteur en tout-venant, au-dessus laquelle, la dalle de fondation du bâtiment doit reposer.
La technologie CSM c'est une alternative aux solutions plus traditionnelles, avec des avantages techniques, financiers et environnementaux, ayant déjà été appliqué avec du succès, dans le cadre de l'amélioration des sols de fondations de plusieurs ouvrages (Ameratunga et al., 2009; Pinto et al., 2010).
Figure 1 – Vue aérienne de la localisation de l'ouvrage (Google Earth, 2012)
Le bâtiment à construire présente uniquement un étage en hauteur et son environnement est caractérisé par l'absence de constructions adjacentes (Figure 2).
Figure 2 – Représentation de l'aspect final de l'ouvrage
Contraintes Principales
Contraintes d'ordre géologique et géotechnique
La conception de la solution présentée a été appuyée par une étude géotechnique qui a inclus la réalisation d'essais de pénétration statique (CPT). L'analyse des résultats obtenus, a permis d'identifier une couche de remblais avec du gravier avec un mètre de profondeur (Zone Géotechnique 1 – ZG1), sus-jacentes a une couche de sols colluviaux caractérisés pour avoir des valeurs réduites de résistance et de haute déformabilité (Zone Géotechnique 2 - ZG2), reposant dans un support de marnes gréseux (Zone Géotechnique 3 – ZG3) et détectée à profondeurs variables, entre les 3 et les 7 m (Figure 3).
Figure 3 – Zonage géotechnique e principaux paramètres géomécaniques du terrain
Contraintes relatives au délai de l'exécution de l'ouvrage
Le délai d'exécution de l'ouvrage exigé par le Maitre d'Ouvrage a été de 4 semaines. Étant cet aspect de grande importance, les solutions proposées ont étés conçues ayant présente la nécessité de respecter cette objective.
Description de la solution adoptée
Dans le scénario décrit, la solution adoptée pour garantir la correcte transmission des efforts à la couche compétente a consisté à l'exécution de 118 panneaux de CSM, avec des sections transversales rectangulaires de dimensions 0.60 m x 2.40 m, disposés dans une maille carrée en plan (Figure 4). Les panneaux de CSM ont étés exécutes à profondeurs variables entre les 3.5 m et les 7.5 m, de façon à garantir un encastrement minimum des panneaux de 0.5 m dans la couche compétente (Marnes gréseuses).
De façon à permettre un acheminement efficace des charges pour les panneaux de CSM, il a été prévu l'exécution de chapiteaux, en-tête des panneaux, avec 1.0 m de hauteur et une géométrie rectangulaire avec les dimensions en plan de 3.6 m x 1.8 m, réalisés parmi une pré-excavation de la géométrie du chapiteau et rempli à la suite avec le reflux résultant de l'exécution, en profondeur, du panneau de CSM.
Figure 4 - Disposition en plan des panneaux CSM
La solution prévoit aussi l'exécution d'une couche de 0.60 m de hauteur en tout-venant, sur laquelle a été exécutée, postérieurement, la dalle de fondation du bâtiment. Dans les Figures 5 e 6 on peut observer une section-type et l'implantation générale de la solution exécutée.
Figure 5 – Section-Type de la solution d’amélioration du sol de fondation
Figure 6 - Plan d'implantation de la solution d'amélioration du sol de fondation
La Figure suivante montre une vue de l'ouvrage où on peut observer la surface de certains chapiteaux des panneaux de CSM.
Figure 7 - Vue des chapiteaux de certains panneaux de CSM
Avec l'application de cette solution il a été possible de respecter le délai d'exécution exigé de 4 semaines, ce qui se traduit par un rythme d'exécution moyen de 6 panneaux CSM par jour de travail.
La technologie de CSM consiste, d'une façon générale, le mélange mécanique du sol in situ avec un liant hydraulique, normalement coulis de ciment, d'où il s'obtient des panneaux de sol-ciment de section transversale rectangulaire, dotés de caractéristiques de résistance e de déformabilité qui permet leur application aux problèmes comme celui décrit dans le présent document et aussi d'autres, comme les cas, par exemple, des structures de soutènement et parois d'imperméabilisation (Gerressen et al., 2009). L'outil utilisé, pareillement à ce qu'on utilise dans la technologie des parois moulées, c'est l'hydrofraise, constituée dans le cas présente par 2 ensembles de roues tranchant qui tournent autour d'axes horizontaux (Figures 8 e 9).
L'équipement utilisé présente la polyvalence de permettre traverser tous les types de sols, notamment la possibilité d'utilisation des sols in situ comme des matériaux de construction, la minimisation des volumes de matériaux à envoyer à décharge et la connaissance de la géométrie exacte du matériau traité en profondeur.
Figure 8 - Équipement utilisé pour l’exécution des panneaux de CSM
Figure 9 – Vue de l'équipement pendant l'exécution d’un panneau de CSM
Modèle d'Analyse
Dans une phase initiale, la maille des panneaux CSM a été définie ayant comme base la limitation de la tension de compression des panneaux CSM, sujets a la charge maximum de 1,5 MPa de service, en admettant, pour des critères de sécurité, que la transmission de toutes les charges du bâtiment se font vers les panneaux CSM.
Ayant comme base la maille des panneaux définie dans la phase initiale de l'étude, on a procédé postérieurement à l'analyse du comportement de la solution, en termes de tassement, en utilisant un modèle numérique d'éléments finis, a travers du logiciel informatique de calcul Plaxis®. Pour faire le modelage du terrain existant, de la couche de tout-venant et des panneaux de CSM, on a utilisé le modèle de comportement Mohr-Coulomb, disponibilité au niveau du logiciel de calcul, en adoptant les paramètres géomécaniques mentionnés dans le point 2.1 do présent article.
Pour l'évaluation des effets de la variation de certains paramètres au niveau des valeurs finales des tassements, on a effectué aussi des analyses paramétriques. Une de ces analyses paramétriques a consisté à la variation du module de déformabilité de la couche de tout-venant. La dalle en béton armée a été simulée avec un comportement linéaire élastique, considérant une valeur estimée pour le module de déformabilité qui a tenu en compte les effets du fluage.
Dans la Figure 10 on peut observer la géométrie simplifiée, la maille des éléments finis et les conditions de frontière considérées dans l'analyse numérique réalisée.
Figure 10 - Modèle de calcul: Géométrie simplifiée, maille d'éléments finis et conditions de frontières considérées
Dans le cas de cet ouvrage en étude, on a obtenu des tassements différentiels inférieurs à 1/800 en toutes les analyses effectuées, se trouvant tous les valeurs obtenues, dans les limites établis comme acceptables pour le bon comportement de l'ouvrage. La distorsion angulaire (β) est définie comme la relation entre l'affaissement différentiel (Δl) entre deux points et la respective distance entre les points (l). La valeur de l'affaissement total maximum obtenue dans les analyses effectuées a été, environs, de 11 mm.
La figure suivante permet d'observer, à titre d'exemple, l'aspect de la déformée obtenue dans une des analyses effectuées.
Figure 11 - Déformée obtenue dans la modulation numérique
Contrôle de Qualité
L'obtention de bonnes solutions par l'application de la technologie de CSM est fortement conditionnée par des facteurs divers comme par exemple les caractéristiques du sol qui sert comme base au traitement, les conditions spécifiques de chaque projet, l'expérience du concepteur, la disponibilité de matériels convenables et de personnel qualifié, entre d'autres. Les particularités associées au procès de l'exécution de la technologie de CSM et, surtout, l'utilisation du sol in situ comme un matériau de construction, rende sustentable le contrôle de qualité pendant l'exécution du travail. Ce contrôle est effectué dans une première phase pendant l'exécution des panneaux de CSM par l'opérateur de l'équipement qui opère le tableau de contrôle de l'équipement et accède en temps réel aux paramètres d'exécution. L'opérateur de l'équipement règle avec précision les paramètres d'exécution de façon à optimiser l'utilisation de l'énergie et créer une masse de matière homogène que permet facilement la descente et la montée de l'équipement, pouvant aussi régler la position des outillages tranchants chaque fois qui est détectée une petite déviation (Bringiotti et al., 2009). Dans la Figure 12 on peut observer le tableau de contrôle de l'équipement d'exécution du CSM.
Figura 12 - Tableau de contrôle de l'équipement
Le contrôle de l'exécution est aussi effectué parmi des essais de résistance à la compression uniaxiale réalisés sur des éprouvettes prélevées des panneaux CSM. La connaissance des paramètres de résistance du sol-ciment permet de régler les paramètres d'exécution de façon à obtenir des solutions adéquates aux objectifs prétendus et aussi d'évaluer la qualité et la fiabilité de la solution finale obtenue. Dans ce cas on a recueilli des éprouvettes “in situ” contenant le mélange sol-ciment des panneaux CSM de l'ouvrage en étude et qui postérieurement, ont été soumis aux essais de résistance à la compression uniaxiale. Dans le Tableau 1 on trouve un résumé de valeurs moyennes de résistance obtenus dans les 2 séries d'essais réalisés.
| Serie I | Serie II | |
|---|---|---|
| Tension de rupture à la compression uniaxiale (MPa) | 7.0 | 6.5 |
En analysant les valeurs moyennes présentées dans le Tableau 1, on vérifie que la résistance moyenne des éprouvettes au 7eme jour c'est de 7.0 MPa et de 6.5 MPa, dans la Série I et la Série II d'essais, respectivement. Les valeurs obtenues sont beaucoup supérieures à la valeur exigée pour la validation des présuppositions de projet (3 MPa). Ainsi c'est dispensé la réalisation d'essais aux 14 et 28 jours, conformément la pratique courant dans les ouvrages ou est appliquée la technologie de CSM.
Considérations Finales
L'utilisation de technologies qui permet l'emploi du sol in situ comme un matériau de construction, comme c'est le fait de la technologie de CSM appliquée dans le cas de l'ouvrage décrit dans cet article, constitue une solution alternative à celles plus traditionnelles, avec des avantages techniques, financières, environnementales et de délais d'exécution.
Dans le cas de cet ouvrage présenté (Figure 13), l'intégration du sol existant dans la solution finale associe à l'utilisation du reflux résultant de l'exécution des panneaux CSM pour matérialiser les chapiteaux d'en-tête, a fait que la quantité de matériaux à envoyer à décharge, résultant do processus d'exécution, a été nulle. La solution présenté a permis de répondre, dans la généralité, aux objectives prétendus, soit en termes économiques et financiers et des délais d'exécution ou en matière de bon comportement et fonctionnement tant que solution d'amélioration du sol de fondation.
Figure 13 – Vues de l'extérieur du bâtiment industriel exécuté
Références
Ameratunga, J., Brown, D., Ramachadran, R. and Denny, R. (2009). Ground improvement for a large above ground storage tank using cutter soil mixing columns. Proceedings of the 17th ICSMGE, pages 2280-2283.
Bringiotti, M., Dossi, M. and Nicastro, D. (2009). Miscelazione profonda dei terreni: metodi classici e tecnologie innovative – CSM by BAUER. Geofluid 2009.
Gerressen, F. W., Schopf, M. and Stotzer, E (2009). CSM – Cutter Soil Mixing – Wordwide experiences of a young soil mixing method. Proceedings of International Symposium on Deep Mixing & Admixture Stabilization, Okinawa, Japan.
Pinto, A., Albuquerque Núncio, J., Tomásio, R., Morais Sarmento, M. e Peixoto, A. (2010). Soluções de fundações indirectas no colégio Pedro Arrupe – Parque das Nações. Actas do XII CNG – Congresso Nacional de Geotecnia, Guimarães.