Structure de soutènement périphérique exécutée avec la technique de Cutter Soil Mixing pour le bâtiment “Villa Paradisio” à Cannes – France

Introduction

Cet article se réfère à l’exécution d’une structure de soutènement exécuté pour permettre l’excavation prévue pour réaliser les étages souterrains du bâtiment “Villa Paradisio”, localisé dans la ville de Cannes, en France. Le bâtiment se développe en 4 étages souterrains pour servir un parking de stationnement et 7 étages surélevés au long desquelles seront distribués les 81 appartements (Figure 1). L’endroit de l’excavation présente un emplacement d’environ 840 m2, avec une profondeur moyenne d’excavation de 12 m.

Le nouveau bâtiment est localisé dans une zone densément construite, en face à des bâtiments et rues (Figura 2). Au long de l’élévation nord de l’ouvrage, on vérifie l’existence d’un collecteur en béton armé, ayant d’être nécessaire garantir son intégrité pendant toute l’exécution des Travaux. Dans les zones urbaines, comme c’est le cas du local de cet ouvrage, la principale préoccupation c’est de garantir les conditions de sécurité de l’ouvrage, minimisant les interférences avec les structures et infrastructures voisines et assurer leur fonctionnement en conditions de sécurité pendant et après l’exécution des travaux.

Figure 1 – Vue extérieur du bâtiment

Malgré il s’agir d’une excavation de 12 m de profondeur et d’être réalisé dans une zone urbaine dans la présence d’un niveau phréatique, sensiblement à la moitié de la profondeur maximum de l’excavation, la présence du substrat rocheuse dolomitique fracturé et détecté au-dessus la profondeur maximum d’excavation, a été un bon support pour la partie inférieure du rideau, ayant permis d’avancer en sécurité vers une solution qui a contemplé, uniquement, un niveau horizontal de supports métalliques. La structure de soutènement a consisté d’un rideau exécuté à l’abri de la technologie de Cutter Soil Mixing (CSM), avec uniquement 1 niveau de support, ce qui a constitué une des principales particularités de ce projet. Cette solution, au-delà de permettre l’excavation en face verticale, a permis aussi de limiter l’afflux d’eau au local d’excavation.

Figure 2 – Vue aérienne de l’emplacement de l’ouvrage

Contraintes Principales

Géologie et Géotechnique

La caractérisation géologique et géotechnique des sols touchés par l’ouvrage a été effectué, dans une première phase, par une campagne de prospection qui a inclus la réalisation d’un sondage exécutée jusqu’aux 15 m de profondeur et le recueillement de 4 carottes de sol qui ont été postérieurement soumis à des essais de laboratoire. Dans cette première phase l’objectif a été essentiellement de faire l’évaluation de la nature des éléments géotechniques concernés. On a identifié une couche superficielle d’argile et de déchets argileux, superposée au substrat rocheuse dolomitique, très fracturée au niveau supérieur de la couche et successivement moins fracturé au fur et à mesure qu’on descend en profondeur.

Visant la définition des interfaces des éléments géotechniques identifiés et aussi de la cote du niveau phréatique et des caractéristiques géomécaniques des sols, on a réalisé, dans une seconde phase, une étude géotechnique qui a inclue la réalisation de 2 sondages avec recueillement de carottes pour réaliser des essais de laboratoire, 3 essais pressiométriques (PMT – Pressiometer Ménard Test) et l’installation de 2 piézomètres.

L’interprétation des résultats des essais réalisés in situ et de laboratoire ont permis d’effectuer le suivant zonage géotechnique:

• Argiles et déchets argileux détectés depuis la surface jusqu’à des profondeurs variables entre les 4.2 m et 9.6 m (Zone Géotechnique 1 – ZG1);
• Substrat rocheux dolomitique fracturé (Zone Géotechnique 2 – ZG2).

Dans la Figure 3 il est présenté le zonage géotechnique et les paramètres géomécaniques adoptés.

Le niveau phréatique a été détecté à environ 6.0 m de profondeur. La circulation de l’eau souterraine a été vérifiée, surtout dans l’interface entre la couche d’argile et le substrat rocheux dolomitique fracturé et aussi dans le substrat lui-même à cause de son niveau élevé de fracturation.

Figure 3 – Principaux paramètres géomécaniques et coupe-type de l’excavation

Contraintes de voisinage

Pour définir cette solution de soutènement à exécuter pour les sols en cause, à excaver, on a eu la nécessité d’effectuer une validation rigoureuse de l’entourage de l’ouvrage de façon à privilégier la minimisation des impacts sur les structures et infrastructures voisines, en assurant son bon fonctionnement, en conditions de sécurité pendant l’exécution des travaux. L’ouvrage est localisé dans une zone urbaine, confinée par:

• au nord: bâtiment avec 3 étages souterrains et 3 étages élevés;
• au sud: rue (Rue Merle) ;
• à l’ouest: bâtiment avec 3 étages souterrains et 5 étages élevés;
• à l’est: rue (Bvd. de la République).

La figure suivante présente les 2 bâtiments voisins au local de l’excavation.

Figure 4 – Bâtiments voisins au local de l’excavation. Élévation à l’ouest (gauche) et élévation nord (droite)

Au long de l’élévation nord de l’ouvrage il se trouve un collecteur enterré en béton armé, conformément est indiqué dans la Figure 5, ayant d’être nécessaire de préserver son intégrité pendant l’exécution des travaux.

Figure 5 – Localisation du collecteur enterré en béton armé

Description de la solution adoptée

De façon à définir la solution à adapter pour la structure de soutènement, une des principales préoccupations a été la recherche pour une technologie que permet d’obtenir une solution capable de répondre aux objectifs prétendus, ayant en compte zone du voisinage, densément construite et la nature particulièrement argileuse du sol, dans les premiers mètres de profondeur, sus-jacentes au substrat dolomitique rocheux et fracturé. Dans ce contexte, il a été proposé et conçu une solution de soutènement constitué par un rideau continu de panneaux de sol-ciment de section transversale rectangulaire de 0.55 m d’épaisseur, exécuté à l’abri de la technologie de CSM jusqu’à une profondeur moyenne de 15 m de façon à garantir une profondeur minimum d’encastrement de 3 m au-dessous du fond de l’excavation. Pour répondre aux efforts imposés par de la pression des terres, l’impulse hydrostatique et charges à la surface, il était nécessaire de prévoir l’installation de 2 profilés métalliques IPE 450 (en acier S 275 JR) en chaque panneau de CSM de la structure de soutènement. La solidarisation des panneaux avec les profilés métalliques a été garantie par l’exécution d’une poutre de couronnement en béton armée exécutée en haut des panneaux. On a défini 1 niveau de butonnage pour les 12 m de hauteur totale d’excavation, matérialisé par des butons métalliques tubulaires (Figure 6) et associé à des poutres métalliques de distribution, exécutées au long du périmètre de l’ouvrage.

Figure 6 – Vue en plan de la solution de soutènement adoptée

On a préconisé un chevauchement de 0.20 m entre panneaux adjacents de façon à garantir une liaison efficace, en tenant en compte les éventuelles déviations en profondeur de l’équipement d’exécution des panneaux.

Au fur et à mesure que l’excavation avançait, on a exécuté en simultanéité une paroi en béton projeté de 0.15 m d’épaisseur, comme revêtement pour la structure de CSM.

L’exécution des panneaux de CSM, au minimum jusqu’à 3 mètres au-dessous du fond de l’excavation (Figure 7) a permis de diminuer l’afflux d’eau à l’intérieur de l’excavation. Toutefois, pour garantir les conditions nécessaires de circulation des équipements, face à une possible réentrée d’eau à partir du fond de l’excavation, on a prévu la réalisation de puits de pompage.

Figure 7 – Coupe-type de la structure de soutènement

Dans la figure suivante on peut observer l’aspect partiel de l’ouvrage pendant son exécution, ou c’est possible de visualiser le niveau de butonnage, les poutres métalliques de distribution et la paroi de revêtement.

Figure 8 – Aspect partiel de le structure de soutènement après l’exécution des longrines de distribution métalliques, des butons métalliques et de la paroi en béton projeté

En effectuant la description de la technologie de CSM, on réfère que cette technologie vient de la technologie de Deep Soil Mixing (DSM), en combinant ses concepts avec quelques des principes d’exécution des parois moulées, comme l’utilisation de la hydrofraise et la géométrie des panneaux obtenus, conformément présenté dans la Figure 9. L’outil de coupe pour l’exécution des panneaux de CSM est constituée par 2 ensembles de roues tranchantes qui tournent autour d’axes horizontaux de façon à produire des panneaux de sol-ciment de section transversale rectangulaire, au contraire de ce qui est habituel dans la technologie de DSM ou en utilise des outilles de coupe qui tournent autour d’axes verticaux pour exécuter des colonnes de sol-ciment (Stoetzer et al., 2006).

Figure 9 – Equipement de CSM avec rotation autour d’axes horizontaux et vue d’un panneau de CSM (gauche) et l'outil d’exécution de DSM avec rotation autour d’un axe vertical (droite)

L’outil de coupe est attaché à l’extrémité inférieure d’une perche kelly, associée à une grue à chenilles, munie d’un tour vertical.

Une des particularités de cette technologie est qu’elle permettre d’incorporer le sol in situ dans la structure de soutènement, étant la structure de soutènement exécutée séquentiellement par des panneaux de CSM primaires et secondaires, avec une longueur de chevauchement déterminée par l’étude, de façon à obtenir une paroi continue de CSM. Le fait de cette technologie permettait l’emploi du sol in situ comme un matériau de construction, évitant l’envoi de grands volumes à décharge, constitue un avantage du point de vue environnemental et financier relativement a d’autres technologies plus traditionnelles, comme par exemple des parois moulées ou des rideaux de pieux. Un deuxième avantage consiste dans la connaissance de la géométrie exacte, en profondeur, des panneaux car l’équipement permet l’observation en temps réel des déviations de l’outil de coupe pendant son avancement en profondeur, ayant possible d’effectuer la correction de son positionnement à chaque instant. Le procès de mélange du liant hydraulique, avec le sol désagrégé, peut être influencé par divers facteurs. Pour obtenir les panneaux de CSM avec les caractéristiques adéquates, en assurant l’homogénéité et la reproductibilité des caractéristiques du matériau résultante, c’est essentiel un contrôle efficace des paramètres d’exécution comme la vélocité de l’outil de coupe, le volume de coulis de ciment additionné en profondeur, les déviations de l’outil de coupe, entre d’autres (Bringiotti et al., 2009). Finalement on réfère aussi que l’avantage de cette technologie permet de traverser tous les types de sols, mais l’efficacité de son application n’est pas la même dans tous les types de sols. Généralement on obtient meilleurs résultats en sols sableux, obtenant en sols argileux et limoneux, des résistances inférieures pour les mêmes quantités de ciment.

Conformément c’est représenté dans la Figure 10, l’utilisation des panneaux de sol-ciment de section transversale rectangulaire, réalisés a l'abri de la technologie de CSM pour l’exécution de structures de soutènement, présente d’avantages comparativement aux colonnes de sol-ciment obtenues par méthodes de DSM qui utilise des outils de coupe qui tournent autour d’axes verticaux (Fiorotto et al., 2005), étant possible énumérer les avantages suivants:

• Réduction du volume de sol à traiter pour obtenir la même section effective de traitement et en conséquence réduire les couts associés;
• Réduction du numéro de joints de la paroi;
• Possibilité d’utilisation de différents types d’éléments pour renforcer les panneaux, dont le positionnement, au niveau du panneau, peut être optimisé.

Figure 10 – Comparaison de la section rectangulaire des panneaux de CSM avec les colonnes obtenues dans les méthodes de DSM

Modèle d'analyse de la structure de soutènement

L’analyse numérique effectuée dans la phase de dimensionnement de la structure de soutènement a été réalisée en utilisant un modèle numérique d’éléments finis, à travers du logiciel informatique de calcul PLAXIS®. Pour le modelage des sols en profondeur on a considéré les paramètres géomécaniques estimés dans les études géotechniques réalisés, indiqués dans le point 2.1, en adoptant le modèle de comportement du sol Mohr-Coulomb.

Pour le modelage numérique on a sélectionné les sections plus représentatives de l’ouvrage, et il y a été procédé au modelage des sections plus défavorables, du côté de la sécurité, et aussi d’autres sections moins défavorables pour éviter le surdimensionnement. Dans la Figure 11 il est présenté, dans le plan de l’ouvrage, les 6 sections analysées (A à F).

Figure 11 – Plan de l’ouvrage avec l’indication des 6 sections de calcul considérées

Dans l’analyse des différentes sections on a procédé à la limitation des déplacements horizontaux de la structure de soutènement et des tassements du terrain à la surface, aux valeurs compatibles avec les exigences au niveau des implications dans l’entourage de l’ouvrage.

Dans le cas de cet ouvrage, la simulation pour la procédure d’exécution comprise 4 phases principales. La phase initiale a consisté par le modelage de l’exécution du rideau, suivant une deuxième phase où on a fait la simulation du 1er niveau d’excavation jusqu’à la profondeur de 0.5 m au-dessous de la cote du 1er niveau de butonnage. La troisième phase consiste dans l’introduction d’un appui élastique à la cote du niveau de butonnage et finalement on fait la simulation de l’excavation à la profondeur maximum.

En tenant en compte les caractéristiques de la zone d’ouvrage et aussi son entourage, on a défini comme déplacements horizontaux maximums acceptables les valeurs suivantes: 15 mm en tête du rideau et 25 mm au long de la hauteur du rideau. Dans le Tableau 1 on présente les valeurs des déplacements horizontaux maximums du rideau, obtenus dans l’analyse numérique.

Tableau 1- Déplacements horizontaux maximums du rideau obtenus dans l’analyse numérique

	Déplacement horizontal (mm)
En tête du rideau	10.3
Au long de la hauteur du rideau	21.2

Dans le modelage numérique des sections étudiées on a prévu des valeurs inferieures à ceux définies comme maximums acceptables et on a vérifié, pendant l’exécution de l’ouvrage, que les valeurs des déplacements horizontaux obtenus ont été encore légèrement inférieures à ceux qui étaient prévus dans le modelage numérique.

Dans le dimensionnement effectué on a considéré, comme charge de service, une résistance à la compression du sol-ciment de 2 MPa et un module de déformabilité de 1 GPa. Ces paramètres ont été validés par la réalisation d’essais en laboratoire sur des éprouvettes recueillies des panneaux de sol-ciment de l’ouvrage. Relativement à la résistance à la compression du sol-ciment, on a exigé un facteur de sécurité de 2, ce qu’a fait qu’on acceptait uniquement comme des valeurs valides, les valeurs de résistance à la compression uniaxiale, égales ou supérieures à 4 MPa.

Exécution des Travaux

L’exécution des travaux de l’ouvrage a impliqué des phases de travaux qui ont caractérisé la procédure d’exécution de la structure de soutènement de CSM et qui, en résumé, sont décrites dans ce chapitre.

Avant de commencer l’exécution des panneaux de CSM de la structure de soutènement, on a procédé à la réalisation des panneaux de test, d’où on a recueilli des éprouvettes fraiches de sol-ciment, pour être postérieurement soumises à des essais de laboratoire de résistance à la compression uniaxiale pour permettre calibrer l’équipement et aussi ajuster les paramètres de façon à garantir ceux qui étaient définis en phase d’étude.

Suite à la phase initiale de calibration de l’équipement et des paramètres d’exécution, on a réalisé les panneaux de CSM de la structure de soutènement à partir de la plateforme de travail. Les panneaux ont été exécutés séquentiellement par des panneaux primaires et secondaires, avec un chevauchement minimum de 0.20 m entre panneaux sus-jacents, ce qui permet de garantir que les petites déviations de l’équipement ne vont pas mettre en risque la bonne liaison des panneaux. Pendant l’exécution des panneaux de CSM l’opérateur de l’équipement peut accéder, en quelques instants, aux valeurs des déviations de l’outil de coupe, à partir du tableau de contrôle de l’équipement et ainsi corriger, en temps réel, le positionnement de l’outil de coupe e juger de la nécessiter de répéter l’exécution d’un panneau à cause de déviations excessives.

Immédiatement après l’exécution de chaque panneau on procède à l’introduction des profilés IPE 450 qui constitue l’armature des panneaux. Dans la figure suivante on peut observer l’outil de coupe utilisée dans l’exécution des panneaux de CSM et aussi un exemple d’un bloc rocheux recueilli dans le local de l’ouvrage pendant l’excavation et qui représente le type de sol traversé par l’équipement.

Figure 12 – Outil de coupe (gauche) et bloc rocheux recueilli pendant l’excavation (droite)

Une fois que les panneaux de CSM sont exécutés, on a recueilli des éprouvettes pour les soumettre à des essais de laboratoire pour évaluer la résistance à la compression uniaxiale, de façon à valider les hypothèses admises en phase d’étude.

Ensuite à la conclusion de l’exécution de tous les panneaux de la structure de soutènement, on a exécuté une petite excavation pour permettre réaliser la poutre de couronnement de façon à solidariser les panneaux de CSM et ses respectifs profilés verticaux métalliques. Ainsi on a procédé à l’excavation jusqu’à 0.5 m au-dessous de la cote prévue pour le butonnage horizontal, suivi par l’exécution de ce butonnage et la colocation des poutres métalliques de distribution. (Figure 13).

Figure 13 – Vue de l’ouvrage où on peut observer les poutres de distribution et les butons métallique

Au fur et à mesure que l’excavation a avancée, on a réalisé une paroi en béton projeté avec 0.15 m d’épaisseur pour faire le revêtement des panneaux de CSM (Figure 14). Une fois que les butons métalliques sont installés, on a réalisé l’excavation jusqu’à la profondeur maximum, accompagnée du pompage de l’eau du fond de fouille.

Figure 14 – Collocation de l’armature (gauche) e projection du béton pour revêtement des panneaux de CSM (droite)

Dans les Figures 15 et 16 on peut observer des photos recueillies pendant l’exécution de l’ouvrage.

Figure 15 – Vue partielle de l’ouvrage pendant son exécution (gauche) et détail du buton métallique (droite)

Figure 16 – Détail des butons métalliques (gauche) et vue partielle de l’ouvrage pendant l’excavation au-dessous du butonnage (droite)

Considérations Finales

L’application de la technologie de CSM, dans le cas de cet ouvrage, a permis de répondre aux objectifs prétendus, ayant possible, avec le scénario géologique et hydrogéologique existant, l’exécution d’une l’excavation avec 12 m de hauteur avec uniquement un niveau de butonnage.

Dans ce qu’il dit respect aux avantages de l’application de la technologie de CSM, relativement aux technologies traditionnelles, on doit souligner la possibilité de connaitre la géométrie exacte des panneaux de sol-ciment et de ses éventuelles déviations, en profondeur, et aussi la versatilité de l’équipement utilisé. Dans le cas de cet ouvrage, les deux avantages référés ont eu une importance particulière, une fois que la connaissance de la géométrie exacte et des déviations arrivées en profondeur a permis d’obtenir une liaison efficace entre les panneaux et aussi une réduction de l’afflux d’eau à l’enceint de l’excavation et, d’autre côté, la versatilité de l’équipement a permis de traverser les différents matériaux depuis les déchets argileux au substrat dolomitique rocheux fracturé.

Références