Transcript Remblai expérimental sur inclusions rigides

Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
REMBLAI EXPERIMENTAL SUR INCLUSIONS RIGIDES
FULL-SCALE EXPERIMENT OF PILE-SUPPORTED EMBANKMENT
Laurent BRIANÇON1, Bruno SIMON2, Germain AURAY3
1 Antea Group, Olivet, France
2 Terrasol, Paris, France
3 Texinov, La Tour du Pin, France
RÉSUMÉ — Pour accéder à un nouveau pont construit sur la Dordogne le long de la
nouvelle ligne LGV Sud Europe Atlantique, un remblai de 5 m de haut a été édifié
dans une zone très compressible. Pour choisir la solution d’amélioration de sol par
inclusions rigides, une expérimentation en vraie grandeur a été réalisée. A partir des
nombreuses mesures de ce plot expérimental, le comportement de l’amélioration de
sol a pu être méthodiquement examiné. La solution d’inclusions rigides avec
géogrilles a été choisie en remplacement de la solution initiale d’inclusions rigides
avec dallettes.
ABSTRACT — To access to the new bridge constructed above the Dordogne River
along the new South Europe Atlantic High Speed Line, a 5 m high embankment has
been built on very soft soil. To choose the pile supported embankment solution, a fullscale experiment has been carried out. From the important measurement data of this
full-scale experiment, the behavior of soil improvement has been thoroughly
examined. The solution of Geogrid Reinforced Piled Embankment has been chosen
to replace the initial solution with square pile head.
1. Introduction
La nouvelle ligne LGV reliant Tours à Bordeaux traverse de nombreuses zones
compressibles qui nécessitent des améliorations de sol.
Parmi les ouvrages prévus se trouvent 3 remblais situés en zone compressible sur la
commune de Cubzac-les-Ponts (33), en rive droite de la Dordogne. Dans cette zone,
le sol compressible est constitué d’argile et de tourbe sur une dizaine de mètres de
profondeur. Pour diminuer le tassement et réduire la durée de construction, une
amélioration de sol a été initialement dimensionnée. Elle est composée d’inclusions
rigides béton battues dans un maillage carré de 1,6 m de côté et coiffées de dallettes
carrées de 0,7 m de côté.
Basée sur les résultats du projet national ASIRI (2012), une solution d’amélioration
avec des géogrilles en remplacement des dallettes coiffant les inclusions rigides a
été proposée. Le prédimensionnement réalisé par Terrasol a mis en évidence tout
l’intérêt de cette nouvelle solution. Un plot expérimental a été conçu et instrumenté
par Antea Group pour valider la solution proposée.
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Le plot expérimental permet de comparer la solution initiale à trois solutions variantes
avec géogrilles, avec des mailles d’inclusions de différentes dimensions. Nous
présenterons dans cette communication uniquement les résultats de la solution
initiale (section 1) et de la variante avec géogrille pour une même maille (section 3).
Les résultats de cette expérimentation ont validé le dimensionnement de la solution
d’amélioration de sol avec inclusions rigides et géogrilles. Ainsi l’expérience acquise
à la suite d’un projet national, la modélisation et l’expérimentation in situ ont permis
de proposer une solution optimisée et validée.
2. Conditions géotechniques
Les conditions géotechniques générales des trois remblais sont caractérisées par la
présence de sols compressibles dont l’épaisseur atteint 10 m et qui englobent des
niveaux métriques de tourbe franche (w = 400% à 500%). Ces niveaux très
développés au nord des remblais ne sont pas identifiés au sud.
L’analyse de l’ensemble des données géotechniques disponibles conduit à la coupe
et aux paramètres de calcul récapitulés sur la Figure 1. Certains sondages réalisés
sous la zone d'étude ont révélé une couche de tourbe. Nous avons donc retenu cette
couche dans la coupe géotechnique même si elle n'a pas été identifiée sous le plot
expérimental.
Le niveau de nappe est pris à +1,4 NGF.
Figure 1. Coupe et paramètres de calcul adoptés pour le prédimensionnement
3. Solutions d’amélioration du sol par inclusions rigides
Le terrain naturel est pris à +1,5 NGF. La cote projet dans ce secteur est +5,5 NGF
soit, compte tenu de la surcharge d’exploitation ferroviaire q = 30 kPa, une cote
équivalente de plateforme à +7,0 NGF.
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3.1.
Solution de base
Du fait des faibles caractéristiques mécaniques des sols et de la présence de tourbe,
la technique de pieux préfabriqués battus en béton a été choisie pour l’amélioration
des sols par inclusions rigides. Avant la mise en place des inclusions rigides, une
plateforme de travail de 1 m d’épaisseur est préalablement mise en œuvre. Les
inclusions de section trapézoïdale voisine d’un carré de côté 0,27 m (plus grande
dimension 0,29 m) sont coiffées par des dallettes carrées de 0,70 m de section
(Figure 2). Une plateforme granulaire de transfert de charge de 60 cm d’épaisseur
complète le dispositif.
3.2.
Variante
Dans la solution variante, les dallettes sont remplacées par un double renforcement
horizontal dans la plateforme de transfert de charge (Figure 3). Ce renforcement est
apporté par des géogrilles en fibres de PVA haute ténacité (alcool polyvinylique)
enduites type NOTEX C PVA pour assurer une bonne durabilité des matériaux, le sol
du remblai étant traité à la chaux.
Figure 2. Solutions d’amélioration de sol "Inclusions rigides + dallettes"
Figure 3. Solutions d’amélioration de sol "Inclusions rigides + géogrilles"
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4. Prédimensionnement
4.1.
Tassement sans renforcement
Il est intéressant de préciser le tassement qui serait observé sous la future ligne
ferroviaire, en l’absence de tout renforcement, pour les valeurs retenues des
paramètres œdométriques.
Le calcul est mené avec le logiciel Tasdej développé par Terrasol sur la base du
modèle de Bjerrum (1967). Ce calcul établit que il faudrait édifier un remblai de
hauteur totale 6,81 m pour obtenir, 25 ans après la fin du remblai, une plateforme à
+5,5 NGF acceptant une surcharge d’exploitation q = 30 kPa. Ce remblai subirait un
tassement total de 2,11 m, incluant 24 cm de tassement de fluage.
4.2.
Dimensionnement de l’amélioration du sol
Le dimensionnement est conduit selon les recommandations ASIRI pour une maille
élémentaire de renforcement en section courante. Les calculs sont réalisés selon la
méthode analytique avec le module Taspie+ du logiciel Foxta, développé par
Terrasol. Le principe du calcul est celui d’un modèle « biphasique » : le volume de la
cellule élémentaire est décomposé en un domaine inclusion et un domaine pieu.
Tableau 1. Résultat du prédimensionnement
Paramètre calculé
Tassement en surface
Contrainte sur tête d’inclusion
(Charge)
Contrainte moyenne sur le sol au
niveau de la tête des inclusions
Contrainte maximale dans
l’inclusion (Charge)
Sécurité vis-à-vis de la charge de
fluage du sol Qc*** : Qc / Qmax
Sécurité vis-à-vis de la charge
limite du sol Ql*: Ql / Qmax
Traction maximale dans les
géogrilles (déformation)
Plot avec
dallette
13,6 cm *
Plot avec
géogrille
8,8 cm *
Critères de
dimensionnement
< 10 cm **
2,76 MPa
(195 kN)
14,4 kPa
3,1 MPa
(230 kN)
1 kPa
-
3,74 MPa
(281 kN)
1,29
3,8 MPa
(287 kN)
1,28
< 7,8 MPa
(< 585 kN)
> 1,1
1,85
1,83
> 1,4
-
146 kN/ml
(1,1 %)
< 284 kN/ml
(< 2,2 %)
-
* calculé à partir du début des travaux de remblaiement, ** donné à partir de la mise
en place de la couche de ballast, *** évaluée sous le plan neutre
Lorsque des nappes de renforcement sont mises en place dans la couche de
transfert de charge, entre la base du remblai et les têtes d’inclusion, celles-ci sont
introduites dans le modèle Taspie+ par une loi de cisaillement spécifique, sur la
hauteur de la couche de transfert qui intègre la contribution des bandes de
géogrilles. Le modèle de calcul des bandes de renforcement tient compte des
enseignements tirés des expérimentations menées aux Pays-Bas sur le
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comportement des nappes de renforcement à la base des remblais sur inclusions
(Van Eekelen and Bezuijen, 2012).
Les résultats sont présentés dans le tableau 1. Ces calculs sont établis pour une
raideur de géogrilles à long terme dans l'ouvrage J = 13000 kN/m (évaluée à 2% de
déformation).
Les calculs démontrent que les deux solutions détaillées dans le Tableau 1 satisfont
à tous les critères de dimensionnement.
5. Plot expérimental
5.1.
Conception et mise en œuvre
Le plot expérimental permet de reproduire les conditions de deux mailles courantes,
au centre de chacune des 4 sections. Les talus sont réglés à 2H/1V.
Les géogrilles sont disposées parallèlement aux files d’inclusions. La direction
principale de la géogrille inférieure est orientée perpendiculairement à l’axe de la
voie; celle de la nappe supérieure est orientée selon l’axe de la voie.
Le plot avec les dallettes et la maille de 1,6 m est noté « section 1 ». Le plot avec les
géogrilles et la maille de 1,6 m est noté « section 3 ».
5.2.
Instrumentation
L’instrumentation du plot expérimental (Figure 4) est constitué de tassomètres
magnétiques en forage, de capteurs de tassement au niveau N0 (+2,50 NGF) et N2
(+3,80 NGF), de capteurs de force (uniquement pour la section avec dallette), de
capteurs de pression totale positionnés sur le sol et sur les inclusions au niveau N0
(+2,50 NGF) et N1 (+3,20 NGF) et de capteurs de déformation à fibres optiques type
réseaux de Bragg, intégrés directement dans les géogrilles en fabrication et donnant
une mesure précise de la déformation de ces armatures.
Figure 4. Instrumentation des sections
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Les capteurs électriques sont connectés à deux centrales d’acquisition Datataker.
Les mesures tassomètriques sont réalisées à l’aide d’une sonde à une fréquence
adaptée au phasage de la construction de l’ouvrage. Les mesures optiques sont
enregistrées à l’aide d’un analyseur optique spécialement développé pour des
applications géotechniques.
6. Mesures et analyse
6.1.
Tassement du sol non renforcé sous le préchargement
160
Tassement (mm)
140
120
5
Tassement dans section 3
Niveau du remblai
4,5
4
3,5
100
80
60
3
2,5
Elévation remblai (cote NGF)
180
Première inclusion à
proximité du tassomètre
200
Seconde inclusion à
proximité du tassomètre
Le tassomètre magnétique en forage de la section avec géogrilles a été installé
avant la mise en place de la plateforme de trafic. Le remblaiement de 1 m provoque
un tassement immédiat, prolongé par un phénomène de consolidation différée. Il est
ralenti après mise en place des inclusions qui encadrent le tassomètre, ce qui révèle
un phénomène d’accrochage de la plateforme de travail sur le fût des inclusions. Le
tassement s’est stabilisé autour d’une valeur moyenne proche de 11 cm (Figure 5).
40
20
0
2
1,5
Figure 5. Tassement du sol non renforcé sous la plateforme de trafic
6.2.
Transfert de charge
La contrainte sur l’inclusion de la section 1 (avec dallette) est déduite des mesures
des capteurs de force situés entre l’inclusion et la dallette. On observe (Figure 6)
que, pour les deux sections, les contraintes mesurées sur les têtes d’inclusion
évoluent de façon similaire : elles augmentent avec la mise en place du remblai puis
se stabilisent rapidement à la fin du remblaiement.
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3500
7
6,5
3000
6
5,5
5
2000
4,5
S1N0E1
1500
S1N1E1
4
cote NGF (m)
Contrainte (kPa)
2500
S3N0E1
3,5
S3N1E1
1000
cote remblai
3
500
2,5
0
05/02/2013
27/03/2013
16/05/2013
05/07/2013 24/08/2013
Dates
13/10/2013
02/12/2013
2
21/01/2014
Figure 6. Transfert de charge
Les contraintes mesurées au niveau 1 sont identiques pour les deux sections : les
solutions avec dallettes ou géogrilles amènent au même état de contrainte dans le
sol au dessus de la plateforme de transfert de charge.
Le suivi et l’interprétation des mesures collectées durant l’année 2013 ont montré
que les calculs de dimensionnement faits en préalable à l’édification des plots ont
évalué un ordre de grandeur correct des contraintes appliquées sur les têtes
d’inclusion, et de celles appliquées au sol entre les inclusions, au même niveau ou
au toit du matelas. Le report presque complet des charges du remblai sur les têtes
d’inclusion a été confirmé, comme prévu par le modèle de calcul.
6.3.
Tassement dans le sol compressible
La Figure 7 présente le profil du tassement entre les inclusions sous l’action du
remblaiement opéré entre +2,5 NGF et +5,1 NGF (l’origine du tassement est prise au
14/02/13 correspondant au début du remblaiement). Les deux plots révèlent un
comportement comparable : le tassement constaté en surface provient des couches
compressibles ; le tassement est pratiquement nul au toit de la couche de graves.
A cette étape, la distribution des tassements entre les différentes couches reflète
valablement les différences de compressibilité, la part essentielle du tassement
provient des couches de tourbe et d’argile 1.
La Figure 7 présente aussi le profil du tassement entre les inclusions pour le
remblaiement à +7,0 NGF (origine du tassement conservée au 14/02/13). La mise en
place de la surcharge complémentaire provoque un tassement des couches les plus
compressibles accompagné par un tassement de la couche d’argile 2 et de grave.
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Ceci révèle que la surcharge a été en grande partie retransmise par les inclusions
aux niveaux inférieurs sans transiter par les couches les plus compressibles.
Tassement dû au chargement
2,5
Croute
0
-2
0
2
4
6
8
10
Cote NGF (m)
-2,5
12Tourbe
14
Argile 1
-5
Argile 2
-7,5
TMS1 (Remblai)
Grave
TMS1 (Surcharge)
-10
TMS3 (Remblai)
TMS3 (Surcharge)
-12,5
Tassement (cm)
Figure 7. Profil de tassement vertical
6.4.
Tassement dans le remblai
Les capteurs de tassement permettent de mesurer le tassement à la base du remblai
(dans la plateforme de transfert de charge au niveau N0, +2,5 NGF) et dans le
remblai (au niveau N2, +3,8 NGF). La mise en place de la surcharge s’est terminée
au début du mois d’avril 2013.
On observe (Figure 8) au niveau 0 dans les deux sections que le tassement s’est
rapidement stabilisé après la mise en place de la surcharge. Le tassement sur le sol
mesuré dans la section 3 est supérieur à celui mesuré dans la section 1 mais reste
inférieur à 7 cm. Le comportement des inclusions rigides des deux sections est très
différent : l’inclusion de la section 3 a tendance à tasser (ce tassement peut être
attribué à une anomalie de mesure) alors que le capteur situé sur la dallette de
l’inclusion de la section 1 donne des valeurs négatives pouvant être attribuées à un
basculement de la dallette révélé aussi par les mesures des capteurs de force.
Le tassement au niveau N2 se stabilise moins rapidement, cependant on note que le
tassement différentiel au niveau N2 dans les deux sections est inférieur à 2 cm et ne
varie pas dans le temps.
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200
50
150
S1N0T1
S1N0T2
Tassement (mm)
S1N0T3
0
100
S3N0T1
S3N0T2
S3N0T3
S1N2T1
50
S1N2T3
S3N2T1
S3N2T2
S3N2T3
0
avril
-50
mai
juin
juillet
aout
sept
oct
nov
Figure 8. Mesure du tassement dans le remblai
6.5.
Déformation des géogrilles
Les calculs de dimensionnement ont établi des déformations maximales de 1,1 %.
Les déformations des géogrilles mesurées par les fibres optiques sous le niveau de
remblai à +7,0 NGF donnent ce même niveau de déformation près des inclusions
rigides (Figure 9). On note par ailleurs que la nappe inférieure est la plus sollicitée et
que les déformations les plus grandes sont observées au voisinage des inclusions.
Les déformations dans la géogrille supérieure demeurent inférieures à 0,5 %.
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Déformation (%)
1,5
Géogrille inférieure
Géogrille supérieure
1,0
0,5
0,0
0,8
0,4
0,3
0
Position par rapport à l'axe de l'IR (m)
Figure 9. Déformation des géogrilles
Les observations sont conformes à celles faites sur le plot expérimental du projet
national ASIRI (Briançon & Simon, 2012).
7. Conclusions
La construction de la nouvelle ligne LGV Tours-Bordeaux nécessite des
améliorations de sols dans les zones compressibles. Une configuration
d'amélioration de sol par inclusions rigides et dallettes était prévue pour un remblai
ferroviaire situé en bordure de la Dordogne. Une solution variante a été proposée et
les solutions ont été comparées sur un plot expérimental.
Les mesures du plot expérimental ont validé le prédimensionnement et confirmé que
les méthodes de dimensionnement proposées au cours du projet national ASIRI
enrichies par des approches allemandes et néerlandaises pour la prise en compte
des géogrilles donnent satisfaction.
L’ensemble de la démarche associant dimensionnement préalable et suivi
d’ouvrages expérimentaux instrumentés a constitué une validation de la
méthodologie originale et novatrice pour intégrer l’influence des géogrilles dans le
modèle de calcul biphasique d’une cellule élémentaire de renforcement.
La solution avec géogrilles a finalement été retenue pour le projet.
Références bibliographiques
Bjerrum, L. (1967). Engineering geology of Norwegian normally-consolidated marine clays as related
to settlements of buildings (Seventh Rankine Lecture) Geotechnique, 17, 81-118.
Briançon L & Simon B. (2012). Performance of Pile-Supported Embankment over Soft Soil: Full-scale
experiment. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 138(4), 551–561.
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ASIRI (2012). Recommandations pour la conception, le dimensionnement, l’exécution et le contrôle
de l’amélioration des sols de fondation par inclusions rigides, Presses des Ponts.
Van Eekelen S.J.M. and Bezuijen A. (2012). Basal reinforced piled embankments in the Netherlands,
Field studies and laboratory tests. ISSMGE TC211, International symposium on Ground
improvement IS-GI Brussels.