Techniques de Renforcement des Sols : Amélioration pour des Fondations Stables

Le renforcement des sols est une technique essentielle dans la géotechnique, utilisée pour améliorer la stabilité et la portance des terrains. Dans cet article, nous explorerons les différentes méthodes de renforcement des sols, leurs applications et leurs avantages dans la construction moderne.

L’essentiel en géotechnique est de « prendre du recul », de ne pas aller immédiatement et uniquement au détail, mais d’évaluer un problème en l’observant d’abord à grande échelle pour analyser son contexte.

Cette philosophie nous guide de tenir compte dans la conception des structures des points suivants :

• Sols faibles : Certains sols (argiles molles, sables meubles) manquent de résistance pour supporter des charges importantes.
• Instabilité des pentes : Les terrains en pente peuvent glisser, surtout en cas de pluie ou de séisme.
• Tassements excessifs : Les sols compressibles peuvent se tasser sous des charges permanentes, affectant les structures.
• Érosion : Les sols exposés à l’eau peuvent être érodés ou affouillés, menaçant les infrastructures.
• Faible résistance aux charges dynamiques : Les sols soumis à des vibrations ou séismes peuvent devenir instables.
• Liquéfaction : Certains sols saturés (sables) peuvent perdre leur résistance en cas de secousses sismiques.
• Problèmes de perméabilité : Les sols peu perméables, comme les argiles, peuvent poser des problèmes de drainage.
• Instabilité des sols organiques : Les sols organiques ou mal compactés ont des propriétés mécaniques faibles.

Après une caractérisation approfondie du sol et une étude géotechnique pertinente et efficace, le choix d’une fondation dépend des propriétés du sol identifié.

Si ce type de sol ne permet pas de réaliser une fondation superficielle, il est essentiel d’examiner les possibilités de son amélioration ou de son renforcement avant d’opter pour une fondation profonde. Cette étape permet d’optimiser les coûts et de réduire les délais.

Les procédés d’amélioration et de renforcement des sols modifient leurs caractéristiques pour répondre aux besoins des projets de construction. Ces techniques assurent des fondations et remblais solides et conformes aux normes.

Les méthodes se divisent en trois types :

• Amélioration du sol en profondeur : Modification du sol sans ajout d’éléments externes.
• Renforcement par inclusions souples : Utilisation de matériaux souples pour stabiliser le sol.
• Renforcement par inclusions rigides : Ajout de matériaux rigides comme des pieux ou des colonnes pour renforcer le sol.

On distingue deux grandes classes :

1. Sols pulvérulents (grenus) : Techniques d’amélioration spécifiques adaptées à leur structure.
2. Sols fins : Nécessitent des méthodes distinctes en raison de leurs propriétés particulières.

Pour les sols intermédiaires, les options d’amélioration sont plus limitées, avec des techniques dérivées des deux catégories principales.

Le tableau ci-dessous présente les différents procédés d’amélioration et de renforcement des sols, classés en fonction du type de sol concerné.

Les différentes techniques de renforcement des sols

Amélioration de sol dans la masse

Les retours d’expérience ont montré que les renforcements de sol qui ont permis d’augmenter la compacité du sol ont été les plus efficaces.

On entend par traitement dans la masse un procédé qui permet d’augmenter les caractéristiques mécaniques du sol en place sur l’ensemble de la zone traitée, de la manière la plus homogène possible.

Ce traitement aboutit à une augmentation de la densité, de la raideur et des résistances du sol traité.

Le choix d’une technique d’amélioration des sols dépend principalement de la granulométrie, du pourcentage de fines, et des objectifs de compacité visés.

Compactage statique

• Principe : Réduction des vides entre les grains de sol, favorisée par une humidité optimale pour atteindre une densité sèche maximale.
• Résultats : Amélioration de la résistance au cisaillement par un meilleur contact entre les grains.
• Limites : Technique adaptée aux travaux de surface (plateformes routières), mais peu efficace en profondeur.

Compactage dynamique

• Principe : Une masse lourde (15 à 150 tonnes) est lâchée depuis une hauteur de 15 à 40 m pour densifier le sol.
• Avantages :
  • Augmente la capacité portante.
  • Réduit tassements et risques de liquéfaction.
  • Adapté aux sols affaissables comme les loess.
• Procédure :

• Points de traitement répartis sur un maillage primaire (ex. 4 m x 4 m).
• Application de 12 coups par point pour créer des cratères.
• Second maillage plus serré (ex. 2 m x 2 m) pour une finition uniforme.
• Nivelage final avec compacteurs vibrants (10 tonnes).
• Contrôle : La profondeur des cratères confirme l’efficacité du traitement.
• Limites : Réduction de l’intensité avec la profondeur et vibrations problématiques en zone urbanisée.

Vibro-compactage

• Principe : Un vibreur en profondeur densifie les sols granulaires (peu de particules fines).
• Avantages :
  • Compactage uniforme sur de grandes profondeurs.
  • Haute qualité et stabilité sismique.
• Limites : Inefficace sur sols cohésifs ou saturés en eau.

Induction Hydraulique

1. Vibrations : Générées par un vibreur en profondeur.
2. Compression du sol : Refoulement du gravier d’apport sous l’action d’une force exercée à la pointe de l’outil.
3. Résultats et Performances
4. Amélioration notable des caractéristiques mécaniques des sols, qu’ils soient en place ou de substitution.
5. Portances élevées obtenues, variant entre 0,5 et 1 MPa aux États Limites de Service (ELS).

Pour des informations détaillées, veuillez-vous référer directement à la norme « NF EN 14731 (décembre 2005) : Travaux géotechniques spéciaux – Amélioration des sols par vibration », qui décrit les techniques, équipements, et procédures utilisés pour améliorer les massifs de sol grâce à des méthodes de vibration.

Injection Solide

L’injection solide consiste à injecter lentement un mortier à très faible ouvrabilité à travers un forage de petit diamètre (10 à 15 cm), ce qui permet de comprimer le sol latéralement.

·        Avantages

1. Adaptabilité : Convient aux espaces restreints, y compris à l’intérieur d’ouvrages.
2. Efficacité : Permet de traverser des couches compactes ou des blocs là où le vibro-compactage est inefficace.
3. Précision : Le processus est contrôlé et limite les vibrations, ce qui est adapté aux zones urbanisées ou proches de structures sensibles.

·        Inconvénients

1. Coût élevé : Technique généralement plus onéreuse que d’autres méthodes.
2. Lenteur : Processus plus lent en raison de l’injection contrôlée et progressive.
3. Limitation de profondeur : Moins efficace pour les sols situés à grande profondeur comparé à d’autres méthodes comme le vibro-compactage.

·        Limites d’application

• Nature du sol : Moins adaptée aux sols pulvérulents ou à forte teneur en eau.
• Accessibilité : Nécessite un accès suffisant pour l’installation des équipements de forage et d’injection.
• Environnement : Peut ne pas convenir aux projets avec des délais très serrés.

Pour plus de détails, consultez la norme « NF EN 12715 : Novembre 2020 : Exécution des travaux géotechniques spéciaux – Injection », Cette norme définit les méthodes, les équipements et les exigences pour les travaux d’injection en géotechnique. Elle couvre différents types d’injection (consolidation, étanchéité, etc.) et précise les critères de performance, les contrôles qualité et les bonnes pratiques pour garantir l’efficacité et la sécurité des opérations.

Pré-chargement avec drains verticaux

• Objectif : Accélérer la consolidation des sols saturés et compressibles, augmentant leur cohésion non drainée.
• Inconvénient : Temps d’attente important, dépendant de la perméabilité verticale du sol.

Solution : Utilisation de drains verticaux pour favoriser un drainage horizontal plus rapide :

• Disposition selon un maillage régulier (espacement ≤ 3 m).
• Perméabilité horizontale plus élevée que la perméabilité verticale, réduisant le temps de consolidation.

Types de drains :

• Drains de sable : Efficacité dépend de la granulométrie du sol pour éviter le colmatage.
• Géodrains : Drains en géosynthétique (noyau drainant entouré d’un filtre), efficaces et rapides à installer, réduisent le risque de colmatage.

Dimensionnement des drains :

• Basé sur la théorie de Barron pour estimer le temps nécessaire à la consolidation.
• Pour une estimation plus précise, la théorie de Carillo combine la consolidation verticale et horizontale.

Avantages :

• Réduction du temps de consolidation.
• Installation rapide.
• Bon contrôle du drainage et réduction des risques de colmatage.

La NF EN 15237 (mai 2007) est la norme européenne en vigueur qui régit la mise en place de drains verticaux pour l’amélioration des sols.

Consolidation sous vide

Inventée en 1952 par Kjellman pour améliorer les sols argileux et limoneux saturés et compressibles.

Comment ça marche :

• Un système de pompage à vide est installé dans le sol sous une membrane étanche.
• Les tranchées périphériques maintiennent l’humidité du sol tout en créant un vide pour accélérer la consolidation.

Applications :

• Utilisée dans des projets comme les centrales électriques, les stations d’épuration, les routes, et les aéroports.
• Efficace pour les sols argileux et homogènes.

Avantages :

• Accélère la consolidation du sol sans risquer sa rupture.
• Réduit le nombre d’étapes de construction et le temps nécessaire.
• Utile quand on ne peut pas poser un remblai de pré-chargement.

Amélioration : Placer des drains horizontaux près de la nappe phréatique pour de meilleurs résultats.

Renforcement de sol par inclusions souples

Inclusion souple et renforcement par colonnes ballastées

Les inclusions souples, telles que les colonnes ballastées ou plots ballastés, sont des éléments verticaux constitués de matériaux granulaires non cohésifs (ex. : gravier). Elles sont utilisées pour améliorer la résistance du sol, notamment dans les sols compressibles.

Norme NF EN 14731 : Elle régit la mise en œuvre des colonnes ballastées, qui ont des diamètres entre 0,60 et 1,20 m, et peuvent atteindre plusieurs dizaines de mètres de profondeur. En revanche, les plots ballastés sont plus grands, de 1,20 à 2,00 m de diamètre.

Avantages des colonnes ballastées :

1. Renforcement du sol : Elles augmentent la résistance à la compression et au cisaillement en améliorant la densité du sol et en modifiant l’état de contrainte.
2. Accélération de la consolidation : Elles facilitent le drainage et la consolidation du sol, notamment dans des zones sismiques.
3. Adaptation à la sismicité : Grâce à leur résistance, les colonnes ballastées ne perdent pas leur intégrité lors d’un séisme.

Conclusion :

Le renforcement par colonnes ballastées est une technique efficace pour améliorer la portance et la résistance du sol, en particulier dans les zones sismiques, tout en favorisant la consolidation rapide grâce au drainage et à la modification des contraintes.

Renforcement de sol par inclusions rigides

Les inclusions rigides

Les inclusions rigides sont des éléments verticaux fabriqués à partir de matériaux cohésifs tels que le béton, le mortier ou le coulis de ciment.

Elles sont destinées à transférer les charges appliquées en surface vers un horizon porteur, ce qui permet de réduire les contraintes sur les sols compressibles et de limiter les tassements des ouvrages.

Types d’inclusions rigides :

• Colonnes en jet grouting (NF EN 12716) ou deep soil mixing (NF EN 12715) : Ces méthodes impliquent la création de colonnes de sol mélangé avec du ciment ou d’autres liants. Elles peuvent avoir un diamètre supérieur à 800 mm et sont disposées en réseau ou dans la masse du sol.
• Pieux métalliques ou en béton armé (NF EN 14199, NF EN 12699 et NF EN 1536) : Ces pieux sont souvent associés à un matelas intercalaire granulaire pour répartir les contraintes.

Jet grouting et deep soil mixing : Ces procédés mélangent le sol avec des liants comme le ciment ou la chaux pour renforcer les propriétés mécaniques du sol. Le jet grouting utilise un jet haute pression pour mélanger le sol avec le coulis, tandis que le deep soil mixing mélange le sol mécaniquement avec les liants.

Fonctionnement en zone sismique :

• Matelas intercalaire : Il est crucial que le matelas entre les inclusions soit granulaire et sans cohésion pour dissiper l’énergie sismique. Il réduit les efforts inertiels et cinématiques transmis par la structure.
• Sollicitation sismique : Les inclusions rigides subissent des sollicitations de flexion et de cisaillement à cause des déformations du sol lors du passage des ondes sismiques et des efforts inertiels de la structure.

Les inclusions rigides sont utilisées principalement pour :

1. Réduction des tassements : Elles limitent les déformations sous l’ouvrage, notamment en cas de séisme.
2. Stabilité de l’ouvrage : Selon le guide AFPS, les inclusions rigides peuvent être utilisées pour garantir la stabilité et la portance en cas de séisme (domaine n°1), ou seulement pour réduire les tassements (domaine n°2).

Dimensionnement des inclusions rigides :

• Domaine n°1 : Les inclusions sont nécessaires pour assurer la stabilité de l’ouvrage sous les sollicitations. Il est impératif que ces inclusions restent dans le domaine élastique (NF EN 1538), ce qui implique qu’elles doivent rester comprimées et non fissurées.
• Domaine n°2 : Les inclusions sont uniquement utilisées pour limiter les tassements et ne sont pas cruciales pour la stabilité en cas de séisme. Dans ce cas, il est permis de négliger les inclusions dans le calcul de la stabilité de l’ouvrage.

Recommandations :

• Les inclusions rigides doivent être conçues de manière à minimiser l’impact des sollicitations sismiques, notamment en ajustant la largeur des fondations et l’épaisseur du matelas intercalaire.
• En zone sismique, le dimensionnement doit inclure des vérifications de portance et de non-glissement, ainsi qu’une étude de l’interaction sol-inclusion-matelas-fondation-superstructure sous chargement cyclique.

En résumé, les inclusions rigides sont une solution efficace pour renforcer le sol et garantir la stabilité des fondations, surtout dans les zones sismiques, en réduisant les risques de tassements et en améliorant la résistance du sol.

Les colonnes mixtes

Les colonnes mixtes combinent une partie rigide et une partie souple en gravier, offrant une meilleure dissipation de l’énergie sismique et une portance accrue. Elles évitent l’utilisation de matelas intercalaire et simplifient la construction des fondations, tout en réduisant les sollicitations sur la partie rigide. Elles sont particulièrement efficaces en zone sismique.

Clouage

Le clouage est une technique utilisée pour renforcer le sol, en insérant des tiges en acier ou plastique, appelées « clous », qui servent d’ancres ou de pieux dans les ouvrages de soutènement. Cette méthode améliore la stabilité du sol et est couramment utilisée dans les parois clouées et autres structures similaires.

Il existe deux types de clouage :

1. Clouage passif : Ici, le clou assure seul le transfert des efforts, en s’appuyant sur le frottement latéral entre le sol et la surface du clou.
2. Clouage actif : Le clou est préalablement tendu pour minimiser les déplacements pendant le creusement et réduire les risques de mouvement du sol.

Le clouage est souvent utilisé dans les zones où une protection contre le glissement ou l’effondrement est nécessaire. Avant le creusement, les clous sont installés pour renforcer le sol et éviter tout déséquilibre de masse. Ce procédé peut être utilisé pour stabiliser des talus, des parois de fouilles, ou même des terrains en pente.

Les principaux paramètres influençant l’efficacité du clouage sont :

• La longueur et l’inclinaison des clous : Elles doivent être adaptées au type de sol et à la géométrie du projet.
• La mobilisation du frottement latéral : Cette force est générée par le contact entre le clou et le sol, et elle est maximale lors du déplacement du clou.
• La stabilité du sol cloué : Un dimensionnement précis est essentiel pour assurer la stabilité globale du massif de sol renforcé.

En résumé, le clouage est une technique efficace et adaptable pour renforcer les sols dans des projets de soutènement, offrant une solution pratique et performante pour gérer les forces horizontales et verticales en jeu.

La norme « NF EN 14490 septembre 2010 : Exécution des travaux géotechniques spéciaux – Clouage » est la norme européenne qui régit les techniques de clouage utilisées pour la stabilisation des sols et des structures de soutènement.

Conclusion

Le tableau suivant résume les techniques de renforcement des sols en indiquant la profondeur maximale de traitement, la disposition et le maillage des inclusions, les caractéristiques améliorées du sol, ainsi que les avantages et la fiabilité de chaque procédé, avec les éventuelles innovations.

Pour davantage d’informations et une meilleure compréhension, vous pouvez également consulter la norme « NF EN 14475 – Janvier 2007 : Exécution des travaux géotechniques spéciaux – Remblais renforcés ».