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RENFORCEMENT D’UN SOL PAR COLONNES BALLASTEES

(Mise en œuvre et calcul)

Bendadouche H. Université de Bejaia, Algérie

[email protected] Lazizi S.

Laboratoire de l’Habitat et de la Construction Bejaia Algérie [email protected]

Résumé Le procédé " colonnes ballastées " en tant que solution pour améliorer les caractéristiques mécaniques et réduire le tassement, est largement utilisé en France. Ce procédé est actuellement utilisé en Algérie pour la première fois, précisément au port de Bejaia. Différents procédés ont été envisagés comme les pieux mais les calculs ont montré que c'est le procédé le plus économique. C'est un procédé facile à mettre en oeuvre, relativement rapide et surtout économique, le matériau d'apport étant des cailloux (ballast). Cette technique, une fois maîtrisée, peut être la solution des problèmes posés par la médiocrité des sols le long de notre littoral. La technique la plus courante pour la réalisation des colonnes ballastées est le procédé Keller. La pièce essentielle est constituée par un vibreur radial placé à la pointe du tube qui lui sert de support. Des essais de contrôle au pénétromètre statique et dynamique effectués sur le ballast montrent la contribution des ballasts dans l’amélioration du sol avec une résistance de pointe de 34 MPa. Enfin les problèmes de mise en œuvre des moyens de contrôles comme la déviation du train de tiges sont exposés dans cet article. Mots clés : colonnes ballastées, tassement, sondages, vibreur, essais de contrôle, résistance de pointe. 1. INTRODUCTION

Les colonnes ballastées sont actuellement massivement employées dans la zone portuaire où les sols en place sont des sables vaseux. Cette technique, une fois maîtrisée, peut être la solution des problèmes posés par la médiocrité des sols le long de notre littoral. Les calculs ont montré que c'est le procédé le plus rationnel pour limiter les tassements du sol sous le poids des réservoirs de pétrole et autres ouvrages portuaires. Elles contribuent également à la diminution du potentiel de liquéfaction. 2. PRESENTATION DU PROCEDE

La technique la plus courante pour la réalisation des colonnes ballastées est le procédé KELLER. La pièce essentielle est constituée par un vibreur radial placé à la pointe du tube qui sert de support et assisté par un jet d'eau pour les sols cohérents. Le vibreur pénètre dans le sol sous son propre poids. La pression d'eau est ajustée pour maintenir un espace annulaire autour du tube et du vibreur. Le ballast est alors introduit soit par l'espace annulaire entre le vibreur et le sol soit par un tube associé au vibreur puis grâce aux mouvements du vibreur et aux forces horizontales de celui-ci, le ballast est pressé et compacté dans le sol existant. La remontée du vibreur se fera progressivement. La figure 1 montre le schéma de mise œuvre d’une colonne ballastée.



Figure 1. Mise en œuvre d’une colonne ballastée 3. FONCTIONNEMENT DES COLONNES BALLASTEES La colonne ballastée ne résiste que grâce à la pression latérale exercée par le terrain naturel et son comportement peut être assimilé à un échantillon pulvérulent placé dans un appareil triaxial. On peut donc calculer la force portante des colonnes ballastées suivant le schéma de contrainte ci-dessous :

Figure 2. Schéma des contraintes

4. ETUDE GEOTECHNIQUE DU SITE

Dans le cadre de la reconnaissance des sols au niveau de la raffinerie de sucre de Béjaia. Le Laboratoire National de l'Habitat et de la Construction (L.N.H.C.) est mandaté par l’entreprise S.P.A CEVITAL Béjaia pour effectuer les essais IN-SITU. La figure 3 ci-dessous montre le plan d’implantation des essais.

ϕ σ2=σ3Ko/σ1=

σ1



S5

S1

S2

S3

S4

Sondages et SPT

Figure 3. Implantation des essais

5. MATERIAU D'APPORT

La roche constituant les éléments du matériau d'apport doit avoir une résistance à la compression simple supérieure à 25 MPa, et n'être ni débitable ni sujette à l'attrition. La granulométrie doit être telle que :

d5 > 0.1 mm d30 > 30 mm d100 < 160 mm

La figure 4 ci-dessous montre la courbe granulométrique du matériau actuellement utilisé

Figure 4. Granulométrie du ballast

2345678923456789210100

Diamétres des tamis en mm

0

20

40

60

80

100

Pou

rcen

tage

des

tam

isat

s cu

mul

és

CAILLOUX GRAVIERS



6. ESSAIS D'INFORMATION

Il convient de mesurer pour chaque colonne réalisée, la quantité globale de matériau incorporé et l'énergie absorbée en fonction de la profondeur. Pour au moins une colonne par groupe de moins 50 colonnes avec un minimum de 3 colonnes par ouvrage, on mesurera le volume du matériau d'apport mis en place pour chaque mètre de hauteur de colonne et on effectuera une coupe approximative des terrains rencontrés. Le volume d'apport est généralement égal à 1,5 fois le volume théorique de la colonne ballastée correspondant à la section prise en compte dans les calculs.

7. ETUDE GEOTECHNIQUE DU SOL La figure 5 ci-dessous montre une coupe géotechnique du sol principalement composé de sable de faibles caractéristiques mécaniques.

3m5

x 9m

2m

Sable

Argile

Cc=0.164eo=0.710

Cc=0.173eo=0.690

Radier

Figure 5. Coupe lithologique du sol

8. CONTROLE DE QUALITE DES COLONNES 8.1 Recommandations sur les contrôles Pour au moins une colonne par groupe de moins 50 colonnes avec un minimum de 3 colonnes par ouvrage, dans l'axe des colonnes testées, et à partir de 1m de profondeur on doit avoir des résistances minimales suivantes : -Pénétrométre dynamique Rd = 15 MPa -Pénétrométre statique Qc = 10 MPa -Pressiométre pl =1.5 MPa -SPT N=30 Avec Rd : résistance de pointe (dynamique) Qc: résistance de pointe (statique) 8.2 Contrôles effectués in-situ Dans le cadre des contrôles des colonnes ballastées, 6 essais au pénétromètre statique et 2 essais au pénétromètre dynamique ont été effectués. 8.3 Essai de chargement statique Il est obligatoire d'effectuer au moins un essai par chantier avec une charge égale à 1,5 fois la charge de service



8.4 Contrainte admissible Elle est calculée sur la section théorique de la colonne et doit être inférieure à 2 fois l'étreinte totale du sol à tous les niveaux et inférieure à 0,8 MPa. 9. ANALYSE DES ESSAIS SUR COLONNES 9.1 Pénétrométre statique lourd Ces essais ont été effectués à l'aide d'un pénétromètre Hollandais Gouda muni d'un cône mobile. Le frottement latéral est mesuré avec un manchon Begemann. Ils montrent qu'à partir d'une certaine profondeur, les résistances en pointe (Qc) chutent brusquement comme le montre le tableau I. Cette chute peut s'expliquer par le fait que le train de tiges subit une déviation à cause de la présence de cailloux.

Tableau 1. Résistance en pointe N° Profondeur (m)

Qc (MPa)

136 6,00 >>14 7,60 0.4

175 0,80 14 1,40 0.4

188 4,20 ≈40 5,40 1.8

241 6,00 >>14 8,40 4

253 8,00 >>14 10,00 1

432 6,60 >>14 7,00 1.2

On peut donc diviser les pénétrogrammes en deux parties (avant et après la déviation des tiges) - dans la première partie, les résistances augmentent régulièrement, on a observé une résistance

maximale de 40 Mpa. - dans la deuxième première partie, les résistances chutent brusquement pour atteindre des résistances

variants entre 0.4 et 7 MPa avec une résistance au frottement de même grandeur que la résistance de pointe.

9.2 Pénétrométre dynamique lourd L'essai N°263 montre une montée continue de la résistance qui atteint 40MPa à la profondeur 6,60 m. Il reflète réellement la résistance de la colonne ballastée. L'essai N°303 donne des résistances de 26 MPa à 2m de profondeur avant de chuter progressivement pour atteindre 4 MPa à 11 m de profondeur. Ceci est dû aussi à la déviation du train de tige.



Figure 6. Diagrammes de pénétration dynamique de l’essai N°253 (1MPa=10bars)

10. CALCUL DE TASSEMENT 10.1 Tassement du sol sans inclusions Le tassement du sol sans inclusions est calculé par la méthode oedométrique. Le résultat donne un tassement de 80 cm à la profondeur de 47 m. 10.2 Tassement du sol avec inclusions Pour le calcul des tassements à attendre dans la couche traitée, le module de déformation du sol (Em) traité est obtenue comme suit :

Em (As+Ac) = (Es.As + Ec.Ac) (1)

avec Es = module de déformation du terrain naturel Ec = module de déformation de la colonne As = surface du terrain naturel Ac = surface de la colonne Le calcul du tassement revient donc à calculer le module de déformation de la colonne, les différentes recherches effectuées permettent d'écrire en première approximation :

Ec = 10 Es (2)

Le tassement du sol sans inclusions est calculé par la méthode oedométrique qui donne un tassement de 80 cm. Ce tassement correspond à un module oedométrique du sol de : Es = 9 MPa d'où Ec = 90 MPa

Pour As = 0.5m² (φ = 0.80m) et Ac = 2.5 m², on trouve Em = 20 MPa et un tassement de 35 cm.

0 20 40 60 80 100 120 140

Résistance en pointe (bars)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Pro

fond

eur

en m

étre

s

Déviation de la tige

Terrain naturel

Ballast

Nappe (-2m)



11. CONCLUSION Le système des colonnes ballastées est un procédé facile à mettre en oeuvre, relativement rapide et surtout économique, le matériau d'apport étant des cailloux ou du gravier. C'est une solution très économique aux problèmes des sols médiocres du littoral constitué de vases très compressibles. Dans le cadre des contrôles des colonnes ballastées, 6 essais au pénétromètre statique et 2 essais au pénétromètre dynamique ont été effectués in-situ. Les résultats de ces essais prouvent qu'on peut atteindre avec les colonnes ballastées des résistances en pointes très élevées comme le montre le tableau 1. L'action des colonnes ballastées en matière de tassement est donc très significative. 12. BIBLIOGRAPHIE [1] Briançon L., Kastner R., Simon B., Dias D. 2004. Etat des connaissances-Amélioration des sols par inclusions rigides. Proc. of Sym. Int. Sur l’amélioration des sols en France. ASEP-GI Paris. Presses ENPC pp 15-44. [2] Cherief. S., Kasmi F. 2000. Etude de sol et son renforcement par colonnes ballastées. Mémoire d’ingénieur. Université de Bejaia. [3] DTU 13.2, 2003. Cahier des clauses techniques, Chapitre 8, Colonnes ballastées. AFNOR. [4] Keller Groupe Limited. Deep vibro technique. Brochure. [5] Besançon G., Iorio J.P., Soyez B. 1984. Analyse des paramètres de calcul intervenant dans le dimensionnement des Colonnes Ballastées. Renforcement en place des sols et des roches. Comptes rendus du colloque international, Paris Presses ENPC. [6] L.N.H.C. 1998. Laboratoire National de l’habitat et la construction Bejaia. Documents de laboratoire. [7] Morgenthaler M., Cambou B., Sanglerat G. 1978. Essais de chargement et calcul par la méthode des éléments finis. Revue Française de géotechnique, Colonnes ballastées. Presses ENPC Vol. n°5. [8] Soyez B. 1985. Méthodes de dimensionnement des Colonnes Ballastées. Bulletin de liaison du Laboratoire des Ponts et Chaussées. Presses ENPC n°135. [9] Vautrain J. 1980. Comportement et dimensionnement des colonnes ballastées. Revue Française de Géotechnique n°11.