Introduction
Cet article prétend donner connaissance de l'exécution d'une structure de soutènement de sols, construit de façon à permettre exécuter l'excavation du Parking Saint Nicolas, un parking de stationnement souterrain construit dans la ville de Cannes, en France. Ce parking de stationnement, d'une capacité de 420 places, se déroule en 4 étages souterrains qui correspond à une hauteur moyenne d'excavation de 14 m. L'endroit de l'excavation est placé directement à côté de bâtiments et rues et présente une géométrie rectangulaire avec une surface d'environ 2700 m² (Figure 1).
La structure de soutènement a été réalisé a l'abri de la technologie de Cutter Soil Mixing (CSM) et consiste dans l'exécution de panneaux continues de sol-ciment, de section transversale rectangulaire, similaires aux panneaux existants dans les parois moulées. Dans le présent cas, les panneaux qui forment la structure de soutènement, seront bloqués horizontalement par 2 niveaux de bandes de dalles massives en béton armée. Cette solution englobe aussi l'exécution de micropieux de fondation qui, en ensemble avec la structure de soutènement, font le support, en phase provisoire, de ces bandes de dalles.
Figure 1 – Vue aérienne de l'implantation de l'ouvrage
Pendant l'exécution de cet ouvrage une des principales préoccupations a été la garantie du bon comportement, en conditions de sécurité, des bâtiments et routes localisés dans sa proximité. Pour ça toute la périphérie de l'ouvrage a été objet d'une instrumentation et suivi prudente.
Dans la Figure 2 est présenté l'aspect extérieur du parking de stationnement, vue à partir des 2 rues adjacentes à l'ouvrage : av. Saint Nicolas et rue de Mimont.
Figure 2 – Aspect extérieur du parking de stationnement
La technologie de CSM devient de la technologie de Deep Soil Mixing, ayant pour base la mélange du sol in situ avec des agentes stabilisantes (généralement coulis de ciment), formant des parois continues constituées par des panneaux de sol traité et de caractéristiques de résistance et déformabilité améliorées, utilisant l'emploi d'une hydrofraise. Les panneaux de CSM sont réalisés par action mécanique des roues tranchantes qui tournent sur des axes horizontaux (Figure 3), réalisant la désagrégation du sol et son mélange avec des liants additionnés en simultanéité (Fiorotto et al., 2005; Matos Fernandes et al., 2010).
Figure 3 – Détail de l'outil de coupe (gauche) et détail de l'équipement d'exécution des panneaux CSM (droite)
Contraintes Principales
Contraintes d'ordre géologique et géotechnique
Consultant la carte géologique à l'échelle 1/50 000, correspondant à la zone du centre de la ville de Cannes, où il est localisé l'ouvrage en étude, on vérifie l'occurrence de formations géologiques sédimentaires, représentées par des terrains marne-calcaires à dolomitiques.
L'évaluation des caractéristiques géomécaniques des terrains touchés par l'ouvrage a été réalisé, dans une 1ère phase, ayant comme base, une étude géotechnique qui a inclus la réalisation de 3 essais pressiomètres (PMT – Pressiometer Ménard Test), 3 essais de forage destructif et un essai de pompage et aussi l'installation de 5 piézomètres et le récolement de carottes intactes pour la réalisation d'essais de laboratoire. Dans une phase postérieure on a réalisé une 2éme étude géotechnique de façon à compléter l'information obtenue dans l'étude géotechnique initiale et qui a inclus la réalisation de 6 essais PMT, l'installation de 3 piézomètres pour mesurer la nappe phréatique et le récolement de carottes intactes pour la réalisation d'essais de laboratoire.
L'analyse des résultats obtenus dans les études géotechniques a permis de mettre en évidence un contexte géologique hétérogène, où on a identifié la présence d'une couche d'argiles aréneuses avec des passages marneux à profondeurs variables entre les 5.0 m et 10.0 m, sous-jacentes à la couche constitué par des marnes argileuses et calcaires compétentes avec des passages plus altérés. Ayant présent l'hétérogénéité des terrains rencontrés, les paramètres géomécaniques qui serviront de base à l'étude de la solution de soutènement ont été agroupés conformément l'information indiquée dans le Tableau 1.
Il a été réalisé aussi une étude hydrogéologique qui a conduit aux valeurs des coefficients de perméabilité (kh – coefficient de perméabilité horizontal; kv – coefficient de perméabilité vertical) présentés dans le Tableau 1. Aussi dans le contexte de l'étude hydrogéologique on a fait l'évaluation de la longueur minimum d'encastrement des panneaux de la structure de soutènement qui permet de minimiser le débit de l'eau à l'intérieur de l'enceint. Dans ce contexte on a défini que la structure de soutènement devrait avoir une longueur minimum d'encastrement de 4 m dans la couche compétente (marnes dures). La nappe phréatique a été détectée à environ 5 m de profondeur.
| Argiles Aréneuses (en amont) |
Argiles Aréneuses (en aval) |
Marnes Altérés | Marnes Dures | |
|---|---|---|---|---|
| γ [kN/m3] | 19 | 19 | 19 | 22 |
| c′ [kPa] | 10 | 10 | 25 | 70 |
| ϕ′ [°] | 25 | 25 | 25 | 30 |
| Es [MPa] | 15 | 6 | 6 | 225 |
| kh [m/s] | 1x10-4 | 1x10-4 | 2.5x10-6 | 2.5x10-6 |
| kv [m/s] | 5x10-5 | 5x10-5 | 2.5x10-6 | 2.5x10-6 |
Contraintes de voisinage
L'ouvrage en étude est localisée dans une zone urbaine, directement à côté de rues et bâtiments, ce qui a fait la nécessité d'effectuer un accompagnement rigoureux du comportement de la structure de soutènement et des structures du voisinage au long des différentes phases d'excavation, de façon à garantir la minimisation d'interférences dans la proximité du chantier. Le chantier est directement confiné par:
- au nord: bâtiment d'un étage souterrain et quatre surélevés;
- au sud: rue de Mimont;
- à l’ouest: Av. Saint Nicolas;
- à l’est: bâtiment avec 3 étages souterrains et 4 étages surélevés.
Description de la solution adoptée
Dans le contexte décrit, la structure de soutènement nécessaire pour permettre réaliser l'excavation des sous-sols du parking de stationnement a consisté d'un rideau continu de panneaux CSM.
Le principe d'application de la technologie de CSM consiste dans la désagrégation et mélange du sol avec des agents stabilisateurs de façon à obtenir des panneaux de sol-ciment avec des valeurs de résistance et de déformabilité exigés en projet (Arnold et al., 2011).
Ayant pour base les efforts résultant de la pression hydrostatique, de la pression du sol et des charges à la surface, chaque panneau CSM a été armé avec 2 profilés verticaux du type IPE 450 en acier S275 JR, écartés de 1.10 m. Le fait que les profilés soient localisés dans l%apos;intérieur des panneaux CSM permet de garantir leur confinement évitant des phénomènes de flambement.
L'outil de coupe utilisé dans l'application de la technologie de CSM permet d’obtenir des panneaux de sol-ciment de géométrie transversale rectangulaire de dimensions 2.40 m x 0.60 m, exécutés séquentiellement par des panneaux primaires et secondaires et avec un chevauchement de 0.20 m entre eux, de façon à garantir une liaison efficace entre panneaux adjacents, en profondeur (Figure 4).
Figure 4 – Panneaux primaires et secondaires du rideau de soutènement en CSM
Les panneaux de CSM et les respectifs profilés verticaux ont été solidarisés en haut par une poutre de couronnement en béton armé.
L'appui de la paroi CSM a été réalisé par deux niveaux de bandes de dalles exécutées en compatibilité avec les travaux d'excavation et qui ont été postérieurement incorporés dans la structure des étages, constituant des cadres rigides d'appui des 4 élévations. Cet appui a été exécuté au niveau des étages “0” et “-2”. Dans les endroits de petites ouvertures des dalles et dans les endroits des entourages d'escaliers, on a appliqué, localement, des butons métalliques. L'appui provisoire des bandes de dalles a été garanti par 28 micropieux provisoires de fondation, de section tubulaire (N80 ∅177.8 x 10 mm - API5A) avec une barre GEWI (∅50 mm) à l'intérieur.
Il y a été aussi exécuté une paroi de revêtement en béton armé avec 0.20 m d'épaisseur, réalisée au fur et mesure que l'excavation avançait.
On doit encore mentionner que dans la situation particulaire de cet ouvrage, si on optait pour réaliser l'appui de la paroi de soutènement par des butons métalliques, la dimension de l'endroit de l'excavation devrait nous obliger à utiliser des butons de grande longueur et diamètre, une fois que l'existence des bâtiments voisins ne nous permettait pas d'exécuter des ancrages dans le terrain. Pour les raisons présentées, l'utilisation de bandes de dalles comme le moyen d'appui de la paroi de soutènement a été la meilleure option sur le point de vue technique et financière, ayant comme avantage principal, l'incorporation de ces éléments dans la structure définitive.
Les bandes de dalles ont été liées à la paroi de CSM par des profilés métalliques horizontaux du type HEA soudés directement aux profilés verticaux des panneaux CSM et postérieurement incorporés dans la dalle.
La Figure 5 présente une coupe type de la solution implémentée et une vue partielle de l'ouvrage après l'excavation réalisée au fond de fouille finale.
Figure 5 – Coupe type de la structure de soutènement (gauche) et vue partielle de l'ouvrage excavée à la profondeur finale (droite).
La Figure 6 présente la vue en plan de la configuration générale de la structure de soutènement, constituée par 95 panneaux de CSM.
Figure 6 – Vue en plan de l'ouvrage avec la configuration générale de la solution de soutènement et identification de 2 sections analysées (Section A et Section B).
Modèle d'analyse de la structure de soutènement
Dans l'analyse de la structure de soutènement ont été définies 4 sections représentatives des 4 élévations de l'ouvrage en étude, considérées comme déterminantes pour le dimensionnement de la structure de soutènement.
Le comportement des sections étudiées a été analysé en utilisant un modèle numérique d'éléments finis, à travers du logiciel informatique de calcul Plaxis®. Grâce à ce logiciel toutes les phases de la procédure d'exécution ont été modelées de façon à maximiser l'approximation entre le modelage numérique et la situation réelle, ayant aussi être fait l'étude du comportement du massif et de la structure de soutènement en matière d'efforts et déformations.
Pour le modelage du terrain en profondeur on a considéré les paramètres géomécaniques estimés dans les campagnes de prospection réalisées, indiquées dans le point 2.1, en adoptant le modèle de comportement Hardening Soil.
Les figures 7 et 8 présentent les modèles d'analyse de 2 sections étudiées: Section A, qui représente l'élévation ouest et Section B, qui représente l'élévation est.
Figure 7 – Section A (section qui représente l'élévation ouest de l'ouvrage): coupe type (gauche) et modèle d'analyse avec la représentation de la déformée de dernière phase d'excavation (droite)
Figure 8 – Section B (section qui représente l'élévation est de l'ouvrage): coupe type (gauche) et modèle d'analyse avec la représentation de la déformée de dernière phase d'excavation (droite)
La simulation de la procédure d'exécution commence par l'exécution de la structure de soutènement, ensuite on fait la simulation du 1er niveau d'excavation jusqu'à la profondeur de 0.5 m au-dessous de la côte du 1er niveau des bandes de dalle. La troisième phase consiste dans l'introduction d'un appui élastique à la côte du 1er niveau de bandes de dalle, suivant la phase d'excavation jusqu'à 0.5 m au-dessous du 2éme niveau d’appui. La cinquième phase correspond à l'introduction du 2éme appui élastique à la côte du 2éme niveau et finalement ont fait la simulation de l'excavation à la profondeur maximum (hauteur d'environ 14 m). De noter que pour qu’il s’agisse d’une simulation en état plan de déformation, le phasage d’exécution longitudinale de l’ouvrage n’est pas contemplé.
Dans le Tableau 2 se présente les valeurs des déplacements horizontaux maximums du rideau, obtenus dans l'analyse numérique des 2 sections mentionnées.
| Déplacement horizontal maximum (mm) | ||
|---|---|---|
| Section A | Section B | |
| Tête du rideau | -8.0 | 0.2 |
| Au long de la hauteur du rideau | 15.0 | 5.0 |
Relativement aux résultats obtenus dans le modelage numérique de la section B, on réfère que jusqu'à obtenir la cote d'excavation correspondant à la cote de dalle du fond du bâtiment voisin, on n'a pas constaté l'introduction d'efforts ni de déplacements significatives dans la structure de soutènement. Dans les niveaux d'excavation dessous de la cote de la dalle de fond du bâtiment voisin, on a vérifié l'occurrence de déplacements horizontaux dans le rideau, mais avec des valeurs réduites, une fois qu'il s'agit d'une excavation de petite hauteur, réalisée en terrains de meilleures caractéristiques mécaniques par rapport à la zone plus superficielle du massif.
Dans ce qu'il dit respect au dimensionnement des appuis de la structure de soutènement, il y a été nécessaire d'avoir en compte, d'une façon simplifiée, l'interaction entre la structure de soutènement de CSM et les bandes de dalle qui ont matérialisé l'appui. Pour cela, on a introduit des appuis élastiques dans le modèle de l'analyse bidimensionnel de la structure de soutènement, avec la rigidité adéquate de façon à faire la simulation de l'effet d'un encadrement fermé, matérialisé par les bandes de dalle. Les forces obtenues au niveau des appuis élastiques ont été postérieurement utilisées dans le modèle de calcul des bandes de dalle, ce qui a permis d'obtenir les efforts de dimensionnement des bandes de dalle et aussi la définition de son armature additionnelle, nécessaire pour le correct fonctionnement de l'ouvrage, en phase provisoire.
Les panneaux de CSM ont été dimensionnés pour une tension de compression de service pas supérieur à 2 MPa, avec un facteur de sécurité de 2, ce qui a impliqué de définir la valeur minimum de 4 MPa pour la tension de rupture des éprouvettes de sol-ciment, soumis aux essais de résistance à la compression uniaxiale (UCS Tests - Unconfined compressive strength tests). La valeur minimum du module de déformabilité exigé dans les essais de laboratoire a été de 1.0 GPa.
Exécution des travaux
La réalisation d'un panneau CSM implique deux étapes fondamentales: la phase de coupe et la phase d'extraction et mélange. Dans la première phase l'outille de coupe est conduite verticalement jusqu'à la profondeur prétendue, désagrégeant le terrain par action des roues tranchantes. Pendant cette phase il sera additionné le liant hydraulique (en général, coulis de ciment) au fur et à mesure que l'outil de coupe avance en profondeur. Dans la phase de l'extraction et mélange, le sens de rotation des roues de coupe sera inverti et on procèdera à l'addiction de la restante quantité préconisée, de coulis de ciment, qui sera homogénéisé en simultanéité avec le mélange au fur et à mesure que l'outil de coupe est conduit, de nouveau, en surface.
L'exécution des travaux a commencé avec l'implantation des panneaux de CSM, en simultanéité avec l'exécution d'un panneau de test, de façon à permettre calibrer les paramètres d'exécution. Ensuite on a recueilli des éprouvettes de sol-ciment de ce panneau de test pour postérieurement les soumettre à des essais de résistance à la compression uniaxiale, en mesurant aussi le module de déformabilité. À partir des résultats obtenus dans ces 1ers essais, il sera possible de calibrer l'équipement et d'ajuster tous les paramètres de façon à garantir, dans les panneaux de la structure de soutènement, les paramètres de résistance et de déformabilité du sol-ciment exigés dans les études. Le tableau de contrôle existant dans l'équipement permet à l'opérateur le contrôle en temps réel des paramètres comme la profondeur de l'outil de coupe et les respectives déviations relativement à sa position initiale, le débit et la pression du coulis de ciment additionnée, la pression extérieure du traitement, la vélocité de forage, entre d'autres (Bringiotti et al., 2009).
Suite à la phase initiale de calibration de l'équipement, on a réalisé les panneaux de CSM de la structure de soutènement. Immédiatement après à l'exécution de chaque panneau et avant le durcissement du sol-ciment on a procédé à l'introduction des profilés IPE 450 prévus. Dans cette phase il y a été aussi installé les inclinomètres préconisés pour contrôler les mouvements horizontaux du terrain derrière à la structure de soutènement. La phase suivante a été la réalisation des micropieux de fondation pour appuyer provisoirement les bandes de dalle (Figure 9).
Figure 9 – Micropieux de fondation exécutés pour l'appui provisoire des bandes de dalle
De façon à garantir la solidarisation des panneaux de CSM e les respectifs profilés métalliques verticaux, on a exécuté une poutre de couronnement avant le début des travaux d'excavation.
Suite à l'exécution de la poutre de couronnement, on a procédé à l'excavation jusqu'à la profondeur de 0.5 m dessous de la cote prévue pour le 1er niveau d'appui (dalle de l'étage ”0”). Après l'exécution du 1er niveau d'excavation on a réalisé la soudure entre les profilés verticaux IPE de la structure de soutènement et les profilés métalliques horizontaux HEA, qui garantiront postérieurement la liaison entre la structure de soutènement et les bandes de dalles (Figure 10).
Figure 10 – Représentation en coupe du détail de la liaison entre les bandes de dalle et la structure de soutènement
Ensuite on a procédé à l'exécution du 1er niveau de bandes de dalle, de façon à obtenir un cadre rigide de blocage de la structure de soutènement, installant ensuite les cibles topographiques prévues.
La phase suivante a consisté dans l'excavation jusqu'à la profondeur de 0.5 m au-dessous de la côte prévue pour le 2éme niveau d'appui (dalle de l'étage “-2”). Les figures 11, 12 et 13 présentent des photos de l'ouvrage pendant cette phase.
Figure 11 – Photo de l'ouvrage pendant la phase d'excavation après l'exécution du 1er niveau d'appui
Figure 12 – Photo de l'ouvrage pendant l'excavation dessous le 1er niveau d'appui
Figure 13 – Photo de l'ouvrage après l'excavation pour l'exécution du 2eme niveau d'appui
Suite à la réalisation des bandes de dalle du 2éme niveau d'appui, on a exécuté l'excavation possible (sans contrainte) jusqu'à la profondeur maximum (Figure 14). De noter que les panneaux de CSM ont été exécutés jusqu'à une profondeur qui permet de minimiser l'afflux d'eau dans le local de l'excavation, ce qui a facilité toute la procédure d'excavation.
Figure 14 – Photo de l'ouvrage après l'excavation à la profondeur maximum
Une fois atteinte la profondeur maximum d'excavation, on a exécuté la dalle de fond et la structure définitive de l'intérieur du parking de stationnement, ayant été désactivés les micropieux d'appui provisoire. Dans la Figure 15 on peut observer l'aspect du chantier pendant la phase finale de l'ouvrage.
Figure 15 – Aspect général de la phase finale de l'ouvrage
Contrôle de Qualité et Suivi de l'ouvrage
Le contrôle de qualité dans l'ouvrage a été réalisé à plusieurs niveaux. Dans une 1ère phase, pendant l'exécution des panneaux de CSM, à travers du contrôle des paramètres d'exécution, effectué en temps réel par l'opérateur de l'équipement et, dans une 2éme phase, à travers d'essais de laboratoire d'éprouvettes recueillis des panneaux de la structure de soutènement et aussi à travers d'essais d'arrachement des micropieux de fondation provisoire. En parallèle on a effectué le suivi de l'ouvrage pendant l'exécution de l'excavation, à partir de l'observation des appareils de suivi installés conformément ce qu'été prévue dans le Plan d'Instrumentation et Observation
Les résultats obtenus dans les essais de résistance à la compression uniaxiale réalisés sur les éprouvettes recueillies des panneaux CSM de la structure de soutènement sont résumés dans le Tableau 3. Dans l'exécution des panneaux CSM on a utilisé ciment du type CEM II A-S 52,5N CE PM-CP2 NF.
| Série des essais | Nº d'éprouvettes essayés |
Résistance à la compression uniaxiale (MPa) | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 3 jours | 7 jours | 14 jours | 28 jours | ||
| Série I | 6 | 4.4 | 6.5 | 8.4 | - |
| Série II | 6 | - | 2.5 | 4.5 | 8.0 |
| Série III | 4 | - | 2.5 | 4.5 | - |
| Série IV | 4 | - | 2.5 | 6.0 | - |
La résistance à la compression uniaxiale des éprouvettes essayées à partir des 14 jours a été, en toutes les séries, supérieure à la résistance exigée en projet (4 MPa), ce qui permet de valider les présuppositions considérées.
Pour procéder à la vérification des présuppositions du projet dans ce qu'il respecte les micropieux d'appui provisoire aux bandes de dalle, on a réalisé, comme mentionné en haut, des essais d'arrachement sur les micropieux exécutés pour cet effet. Les résultats de ces essais ont indiqué un comportement satisfaisant de ces éléments, permettant ainsi de continuer l'exécution de l'ouvrage avec une sécurité additionnelle.
La Figure 16 présente la localisation des appareils de suivi appliquées dans l'ouvrage conformément au Plan d'Instrumentation et Observation préconisé. Trois inclinomètres ont été installés dans le côté derrière de la structure de soutènement et 19 cibles topographiques dans la structure de soutènement et aussi dans le 1er niveau de bandes de dalle. D'une façon générale, les résultats obtenus par cette instrumentation ont correspondu aux valeurs prévues dans les modelages numériques effectuées. Comme il était de prévoir, dans la direction parallèle à la structure de soutènement, ils ne se sont pas pratiquement vérifié des déplacements horizontaux et dans la direction perpendiculaire à la structure de soutènement ils se sont vérifié des déplacements horizontaux significatives, mais toujours inférieurs des critères d'alarme et toujours prochaines des valeurs attendus.
Figure 16 – Distribution des cibles topographiques et des inclinomètres installés par rapport au Planning d'Instrumentation et Observation de l'ouvrage
De noter l'importance do contrôle et suivi de l'ouvrage, comme outil indispensable au niveau de la gestion du risque de l'ouvrage et son voisinage, permettant anticiper problèmes et prendre des décisions préventives, en anticipation, en particulier quand il s'agit d'interventions dans les zones urbaines.
Considérations Finales
La solution adoptée a permis de répondre, d'une façon générale, aux objectives prétendus, contournant les contraintes existantes et réalisant une excavation verticale de 14 m de profondeur moyenne, en conditions de sécurité garantissant, en simultanéité, la limitation de l'afflux d'eaux dans l'intérieur de l'enceint.
Le recours à l'appui par moyen de bandes de dalle constitue un des avantages plus significatifs de la solution présentée, une fois qu'il permet d'intégrer, en phase provisoire, les éléments de la structure définitive, prenant le meilleur parti de ces éléments et évitant des coûts additionnels d'autres éléments d'appui provisoire, comme des ancrages ou butons métalliques. En relation à une solution alternative avec des tirants d'ancrage, la solution d'appui par des bandes de dalle présente l'avantage de n'être pas nécessaire d'occuper les terrains voisins et permet aussi de dépasser la difficulté de réalisation des ancrages au-dessous de la nappe phréatique, qui sont pour fois associées aux phénomènes d'érosion interne. Le cas présenté en étude, a constitué un exemple très intéressant du point de vue technique et financière, d'une solution de soutènement d'une excavation en zone urbaine.
Références
Arnold, M., Beckhaus, K. and Wiedenmann, U. (2011). Cut-off wall construction using Cutter Soil Mixing: a case study. Geotechnik, volume 34: pages 11-21.
Bringiotti, M., Dossi, M. and Nicastro, D. (2009). Miscelazione profonda dei terreni: metodi classici e tecnologie innovative – CSM by BAUER. Geofluid 2009.
Fiorotto, R., Schöpf, M. and Stötzer, E. (2005). Cutter Soil Mixing (CSM) An innovation in Soil mixing for creating Cut-off and Retaining walls. In:16 ICSMGE: International Conference on soil mechanics and geotechnical engineering, Osaka-Japan.
Matos Fernandes, M., Peixoto, A., Pinto, A., Pita, X., Topa Gomes, A. e Gomes Pedro, A. (2010). Cutter Soil Mixing aplicada a escavações urbanas. COBRAMSEG 2010: Engenharia Geotécnica para o desenvolvimento, inovação e sustentabilidade. COBRAMSEG 2010 - Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, 2010, Gramado, Brasil.