Chapitre 3 Compactage Et Portance 03 [PDF]

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Géotechnique III……………………………………………….

CHAPITRE III: LE COMPACTAGE ET LA PORTANCE

Anciennement, lorsqu’un sol était inadéquat pour supporter une route ou un bâtiment, on pouvait se permettre de choisir un autre site dont le sol présentait des caractéristiques meilleures. De nos jours, il est souvent nécessaire d’adapter les fondations d’un ouvrage au type de sol sur lequel il sera construit, ou alors d’améliorer la qualité de ce sol. Cette dernière mesure porte le nom de stabilisation des sols et elle est parfois la solution la plus économique, particulièrement dans le cas des routes. Il existe plusieurs méthodes de stabilisation des sols. Parmi les plus connues figurent l’addition de produits chimiques dans le sol, l’utilisation de remblais de surcharge et le compactage. Les produits chimiques sont ajoutés au sol par injection ou malaxage. Ce sont des agents stabilisants tels que le ciment, le bitume, la chaux ou le chlorure de calcium, et on les choisit selon la nature du sol. Ils servent à lier les particules entre elles, ce qui augmente la résistance du sol et sa capacité de supporter des charges. Les remblais de surcharge ont comme fonction de consolider les dépôts de sol sur lesquels ils sont temporairement disposés. Quand on les enlève, les dépôts de sol peuvent recevoir des charges plus lourdes qu’auparavant, sans tassements excessifs. Quant au compactage, il peut s’effectuer en surface ou en profondeur. I . Les Principes de base du Compactage Le compactage consiste à appliquer suffisamment d’énergie au sol pour y réduire l’indice des vides et ainsi en accroître la compacité. Le poids volumique sec ( d ) d’un sol compacté sera donc supérieur à celui d’un sol non compacté. C’est d’ailleurs cette caractéristique qui permet de vérifier l’efficacité du compactage. Le poids volumique du sol est influencé par trois variables : -

la teneur en eau ;

-

l’énergie de compactage ;

-

la granulométrie. I.1. L’influence de la teneur en eau.

Quand on compacte un sol avec une énergie constante, le poids volumique du sol sec (d ) augmente avec la teneur en eau (  ) jusqu’à une valeur maximale. Au delà de cette valeur, l’accroissement de la teneur en eau réduit le poids volumique sec du sol comme on peut le voir sur la courbe en forme de cloche de la figure 1. que l’on appelle courbe de compactage.

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La valeur maximale du poids volumique du sol se situe au sommet de cette courbe, en un point qu’on appelle l’optimum Proctor (en référence à R.R Proctor, qui a élaboré les principes de base du compactage). L’optimum Proctor est le poids (ou la masse) volumique sec maximal ( d max ) correspondant à une teneur en eau optimale ((opt) pour une énergie de compactage donnée. Ainsi, pour atteindre le poids volumique sec maximal alors que l’énergie de compactage ne varie pas, on doit fournir au sol la teneur en eau optimale. Si la teneur en eau est inférieure ou supérieure à cette valeur, on ne parviendra au poids volumique sèche maximale qu’en augmentant l’apport d’énergie. Le compactage sera donc moins efficace.

Figure 1 : Courbe de compactage Proctor

Les teneurs en eau inférieures à la teneur optimale forment le versant sec de la courbe de compactage, tandis que les teneurs en eau supérieures forment le versant mouillé de la courbe. Sur le versant sec de la courbe, l’eau agit comme un lubrifiant : elle mouille les particules de sol, qui glissent alors les unes sur les autres et adoptent une structure plus serrée. Plus la teneur en eau est faible, plus cette action s’atténue et plus la masse de sol sec diminue. Sur le versant mouillé, l’eau occupe une grande partie des vides du sol. Etant incompressible, elle absorbe une portion importante de l’énergie de compactage, ce qui empêche les particules de sol d’adopter une structure plus dense. Plus la teneur en eau augmente, plus l’eau absorbe de l’énergie et plus le poids volumique du sol sec décroît. I .1.2 L’influence de l’énergie de compactage L’énergie de compactage est l’énergie mécanique transmise à un volume de sol pour y réduire l’indice des vides. Sur le chantier, on applique cette énergie par pression statique, pression 2

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statique et vibration, pétrissage statique, ou impacts, selon le type de compacteur. La quantité d’énergie transmise au sol varie en fonction du nombre de passes du compacteur sur le sol et de sa masse. Plus le nombre de passes du compacteur est élevé ou plus le compacteur est lourd, plus l’énergie transférée au sol est importante. En laboratoire, le compactage des échantillons du sol se fait principalement par impact et par pression statique et vibrations.

Figure 2 : Influence de l’énergie de compactage sur l’optimum Proctor L’influence de l’énergie de compactage sur la valeur du poids volumique sec maximal est aussi importante que celle de l’eau. A la figure 2, on présente les résultats de deux compactages effectués sur le même sol, mais avec des énergies différentes (l’énergie du compactage A est différente de l’énergie du compactage B). On constate qu’une hausse de l’énergie de compactage fait augmenter le poids volumique sec maximal et diminue la teneur en eau optimale. Le déplacement de l’optimum Proctor suit une ligne que l’on appelle ligne des optimums Proctor. qui est sensiblement parallèle à la courbe de saturation Sr = 100%. I.1.3- L’influence de la granulométrie La granulométrie d’un sol influe sur la valeur de l’optimum Proctor. De façon générale, on constate que plus les particules d’un sol sont grosses, plus son poids volumique sec maximal est élevée et plus sa teneur en eau optimale est faible. Ainsi un gravier grossier bien gradué (GW) présente une masse volumique sèche maximale supérieure à celle d’un sable grossier bien gradué (SW) tandis que sa teneur en eau optimale est plus faible. En effet, il est presque impossible d’augmenter la compacité 3

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des sols dont le coefficient d’uniformité est inférieur à 4, ce qui explique la valeur plus faible de leur masse volumique sèche maximale. Dans le cas des sables fins à granulométrie serrée, l’inefficacité du compactage est telle qu’il est difficile d’établir une relation nette entre la masse volumique du sol sec et la teneur en eau : la convexité de la courbe de compactage est très faible et la position de l’optimum Proctor est difficile à déterminer. Quant aux sols cohérents, plus ils sont plastiques, plus leur poids volumique sec maximal est faible et plus leur teneur en eau optimale est grande. C’est ce qu’illustrent les courbes de compactage des sols CL et CH. II. Les effets de compactage sur certaines propriétés des sols Le compactage augmente la stabilité des sols et leur capacité à supporter des charges mais il modifie en même temps certaines de leurs propriétés en particulier la structure des sols, la perméabilité, le gonflement et le retrait, la compressibilité, ainsi que la résistance au cisaillement. 

La structure des sols : le compactage réduit l’indice des vides et densifie la structure à grains uniques des sols pulvérulents. Dans les sols cohérents, il entraîne plutôt une réorganisation des particules d’argile, qui tendent à devenir parallèles et à adopter une structure dispersée. L’augmentation de l’énergie de compactage et une teneur en eau supérieure à la teneur en eau optimale rendent la structure de plus en plus dispersée.



La perméabilité : le compactage diminuant le volume des vides dans le sol, rend la circulation de l’eau plus difficile. Si on augmente l’énergie de compactage, la quantité des vides diminue davantage ce qui se traduit par une baisse de la perméabilité. Dans les sols argileux, la perméabilité la plus faible s’obtient lorsque la teneur en eau est égale ou supérieure à la teneur en eau optimale pendant le compactage. La diminution de la perméabilité est un inconvénient dans le cas des sols pulvérulents utilisés comme matériaux de fondation qu’il faut drainer rapidement.



Le gonflement et le retrait : en réduisant ainsi l’indice des vides et la perméabilité des sols, on diminue à la fois la quantité d’eau qu’ils peuvent contenir et celle qu’ils sont susceptibles de recevoir. Ce faisant, on limite les variations de volume causées, entre autre, par le gonflement et le retrait. Cependant, il faut noter que l’argile compactée alors que sa teneur en eau est 4

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supérieure à la teneur en eau optimale sera davantage sujette au retrait, tandis que celle qui est compactée alors que sa teneur en eau est inférieure à la teneur en eau optimale sera plus sujette au gonflement. 

La compressibilité : plus le volume occupé par les vides dans un sol est élevé, plus la compressibilité de ce sol est grande et plus les tassements peuvent y être importants. Ainsi, en réduisant les vides d’un sol par compactage, on le rend moins compressible, et les risques de tassements s’atténuent.



La résistance au cisaillement : dans les sols pulvérulents, plus les particules sont resserrées les unes contre les autres par le compactage, plus le frottement et l’enchevêtrement deviennent importants et plus la résistance au cisaillement augmente. Dans les sols cohérents, les forces de cohésion constituent le facteur principal de la résistance au cisaillement. Or, plus la distance entre les particules est faible, plus les forces de cohésion sont élevées. En réduisant les distances qui séparent les particules, le compactage augmente donc la résistance au cisaillement. De façon générale, la résistance au cisaillement des sols argileux est plus importante quand la teneur en eau est inférieure à la teneur en eau optimale pendant le compactage.

Puisqu’on augmente la résistance au cisaillement d’un sol en le compactant, on y augmente également l’angle de frottement interne  ce qui se traduit par une augmentation de la capacité portante. III. Le compactage en laboratoire Les essais de compactage effectués en laboratoire permettent de déterminer le poids volumique sec maximal pour une énergie de compactage donnée. En comparant la valeur obtenue en laboratoire avec le poids volumique sec du sol sec mesuré sur le chantier après les opérations de compactage, on peut vérifier si celui-ci a été suffisant et ainsi s’assurer de la qualité des travaux. Les principaux types de compactage utilisés en laboratoire sont : -

les essais Proctor ;

-

l’essai à la table vibrante. III.1 Les essais Proctor

En 1933, l’Engineering News Record publia une série d’articles de R.R Proctor qui portait sur le compactage des sols. Il y présentait un essai de compactage en laboratoire qu’on appelle aujourd’hui l’essai Proctor normal 5

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L’essai Proctor normal consiste à mesurer le poids volumique sec d’un sol disposé en trois couches dans un moule de volume connu. Chaque couche étant compacté avec un marteau de 2,49 kg tombant d’une hauteur libre de 305 mm. On répète l’essai à plusieurs reprises en faisant varier la teneur en eau du sol. On représente l’évolution du poids volumique du sol sec en fonction de la teneur en eau sur un graphique ce qui permet de tracer une courbe de compactage. A partir de cette courbe, on détermine le poids volumique sec maximal du sol (dmax) et sa teneur en eau optimale (opt). En comparant le poids volumique du sol sec sur le chantier (dchantier) avec le poids volumique sec maximal (dmax), on établit le degré de compacité (Dc), ou pourcentage de compactage, à l’aide de l’équation suivante :  Le degré de compacité est l’un des critères sur lesquels on s’appuie pour accepter ou refuser un compactage. Ce degré, qui s’exprime en pourcentage, tend vers 100% lorsque la valeur de dchantier tend vers dmax. Plus il est élevé, plus la compacité du sol est grande et plus le compactage a été efficace. Durant la seconde Guerre mondiale, comme on disposait d’engins de compactage plus performants sur les chantiers, on a modifié l’essai original en augmentant l’énergie de compactage et le nombre de couches, pour créer l’essai Proctor modifié. On pouvait ainsi établir des comparaisons plus justes entre dmax et dchantier

Photo 1 : Moules et dames Proctor 6

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Tableau 1 : Caractéristiques des essais Proctor

Essais

Masse du Hauteur de Nombre

Volume du Nombre de Energie

marteau

chute

moule

coups

(kg)

marteau

(cm3)

couche

du de couches

de

par compactage EC (kJ / m3)

(mm) Proctor normal

2,49

305

3

Proctor modifié

4,54

457

5

944

25

592

2124

56

589

944

25

2695

2124

56

2683

Tableau 2 : Résultats des essais Proctor pour différents types de sol.

Type de sol

Symbole Proctor normal* γdmax

Wopt (%) 3

GW

gravier -sable, peu ou pas de

2,00 à

γdmax

Wopt(%)* 3

(g/cm ) Gravier bien mou mélange

Proctor modifié

(g/cm )**

**

8 à 11

2,00 à 2,24

5à8

11 à 14

1,76 à 2,24

7 à 10

8 à 12

1,84 à 2,32

5à8

9 à 14

2,08 à 2,32

6 à 10

9 à 16

1,76 à 2,08

6 à 12

2,16

grains fins Gravier

mal

gradué

ou

GP

mélange gravier – sable, peu

1,84 à 2,00

ou pas de grains fins Gravier –silt, gravier – sable

GM

–silt Gravier

1,92 à 2,16

argileux,

mélange

GC

gravier –sable –argile Sable bien gradué ou mélange sable –gravier, peu ou pas de

1,84 à 2,08

SW

1,76 à 2,08

grains fins

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Sable mal gradué ou sable

SP

graveleux, peu ou pas de

1,60 à

12 à 22

1,68 à 2,16

8 à 17

11 à 16

1,60 à 2,16

7 à 12

11 à 19

1,60 à2,16

7 à 14

12 à 24

1,44 à 2,08

8 à 18

12 à 24

1,44 à 2,08

8 à 18

21 à 33

1,44 à 1,68

15 à 25

24 à 40

1,28 à 1,68

18 à 31

19 à 36

1,44 à 1,84

14 à 28

21 à 45

1,28 à 1,76

15 à 35

1,92

grains fins Sable silteux, mélange sable –

SM

silt

1,76,à 2,00

Sable argileux, mélange sable

SC

–argile

1,68 à 2,00

Silt inorganique et sable très fin, sable fin

silteux

ou

ML

argileux ou silt argileux de

1,52 à 1,92

faible ou moyenne plasticité Argile

inorganique

de

plasticité faible ou moyenne,

CL

argile graveleuse, sableuse,

1,52 à 1,92

silteuse Silt inorganique et mélange

OL

silt – argile organique de

1,28 à 1,60

faible plasticité Silt inorganique, sol sableux

MH

très fin ou silteux, micacé ou

1,12 à 1,52

diatomacé, silt élastique Argile inorganique de haute

CH

plasticité, argile silteuse Argile organique de haute

1,20 à 1,68

OH

plasticité, silt organique

1,04 à 1,60

En comparant les données du tableau 2, on constate que l’énergie déployée dans l’essai Proctor modifié est d’environ 4,5 fois supérieure à celle de l’essai Proctor normal. L’énergie de compactage (EC) appliquée pendant l’essai Proctor modifié exécuté avec le moule de 944 cm3 se calcul de la façon suivante :

coups 4,54kg9,81 m 0,457m5couches25 S² couche EC = 9,44104m3 8

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= 2,695  10-6 N-m / m3 = 2695 kJ / m3 Les essais Proctor conviennent à la plupart des sols. Les résultats (voir le tableau 2) sont particulièrement concluants avec les sols graveleux et sableux à granulométrie étalée. En effet, les courbes de compactage prononcées qui caractérisent ces sols permettent de localiser facilement l’optimum Proctor. Par contre, avec les sols à granulométrie très serrée présentant une perméabilité élevée, on recommande plutôt d’effectuer l’essai à la table vibrante. IV. Le contrôle du compactage sur le chantier Les essais de compactage réalisés sur le chantier permettent de déterminer le poids volumique sec et la teneur en eau d’une couche de sol qui a été compactée. En comparant ces résultats avec ceux de l’essai Proctor ou de l’essai à la table vibrante, on peut établir le degré de compacité ou l’indice de densité relative. On peut ainsi vérifier la qualité des travaux de compactage et les accepter ou les refuser, à la lumière des directives contenues dans le Cahier des Charges. Les essais les plus utilisés pour vérifier la qualité du compactage sur le chantier sont : -

l’essai au nucléodensitomètre ;

-

l’essai au cône de sable ;

-

l’essai au densitomètre à membrane.

L’essai au nucléodensitomètre est l’essai le plus fréquemment pratiqué de nos jours dans les pays du Nord (mais rarement dans nos pays), car il s’effectue rapidement et ne nécessite pas l’arrêt des travaux sur le chantier. Le nucléodensimètre est toutefois un appareil sensible fonctionnant à partir de sources radioactive, et sa régularité dépend du rayonnement émis, de la qualité de l’étalonnage et des conditions rencontrées sur le terrain. C’est pourquoi dans certains cas, lorsque ces facteurs sont difficiles à maîtriser, on recommande plutôt d’utiliser l’essai au cône de sable, un essai beaucoup plus long à réaliser, mais qui fournit des résultats très fiables lorsqu’on le fait soigneusement. IV.1 L’essai au nucléodensitomètre La nucléodensitomètre est un appareil relativement précis à l’aide duquel on peut rapidement déterminer la masse volumique du sol sec sur le chantier ainsi que sa teneur en eau. On l’emploie aussi pour vérifier la masse volumique du béton et des revêtements bitumineux. Les nucléodensitomètres sont équipés d’un tableau de commande composé d’un écran affichant les résultats et de touches pour entrer les données. 9

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La mesure de la teneur en eau repose sur la décélération des neutrons rapides émis par l’américium et le béryllium. Ces neutrons sont surtout ralentis et réfléchis par les atomes d’hydrogène contenus dans l’eau. Plus la teneur en eau du sol est élevée, plus les neutrons sont ralentis et réfléchis vers le détecteur, et plus le décompte est important. Toutefois, si le sol contient une forte proportion de minéraux hydratés comme le gypse et le mica, il faut alors corriger la teneur en eau mesurée par l’appareil. V. Le compactage en surface Le compactage en surface s’effectue sur des couches de sol de faible épaisseur, la plupart du temps du sol de remblayage. On utilise cette technique dans un très grand nombre de travaux, entre autres : -

les barrages et les digues ;

-

les remblais ;

-

les routes et les voies ferrées ;

-

les pistes d’atterrissage ;

-

les fondations de bâtiments et d’ouvrage de tous genres.

Le passage répété de compacteurs motorisés ou tractés transmet l’énergie de compactage, qui est produite par pression statique et pétrissage, par vibrations et pression statique ou par impacts.

Tableau 4 : Utilisation des principaux types de compacteurs. Types de

Sols recommandés

compac

Principales

teurs

utilisations

Description

Symbol es

Epaisseur

Nombre de

Vitesse

des

passes

(km/h)

150 à 250

6 à 12

3 à 12

150 à 300

3 à 12

6à9

couches (mm)

Rouleaux lissage des couches de Tous les sols à

jantes sol

lisses

Compactage

Roche de concassée

grandes surfaces

gravier

GW GP et

Compactage du béton sable grossier bitumeux Rouleaux Compactage à

et moyen de Sols cohérents GC GM

pieds grandes surfaces

(argile

et SC SM 10

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De

Barrages en terre

silt)

mouton

Remblais routiers

CH MH OH CL ML OL

Rouleaux Compactage à pneus

de Gravier

et

grandes surfaces

sable

à

Barrages en terre

granulométrie GW

Remblais routiers

étalée

GM

Graviers

GC SM

silteux

150 à 300

4 à 10

6 à 12

150 à 300

4 à 10

6 à 12

150 à 300

2à8

3à6

100 à 200

2à8

3à6

et

argileux Sable silteux

Gravier

et

sable

à GP

SP

granulométrie SC CH MH

serrée

Sable argileux OH Sols cohérents organiques et inorganiques Rouleaux Compactage vibrants

de Sols

grandes surfaces

pulvérulents

CL ML

Remblais routiers

(gravier et OL

Pistes d’atterrissage

sable

GW

Stationnements

propre)

GP

Fondation

de

gros

édifices

Plaques

Compactage de petites Sols

vibrantes surfaces Remblais

pulvérulents difficiles

SW SP GW GP

d’accès

SW SP 11

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Remblais

près

des

murs de fondation ou de soutènement Fondations

de

trottoirs

V.1 les compacteurs à impacts Les compacteurs à impacts sont des dames surtout utilisés manuellement, mais que l’on installe parfois à la place du godet d’une pelle mécanique. Ils comprennent une plaque d’acier qui pilonne le sol et un mécanisme actionné, dans la plupart des cas, par un moteur à essence. Les dames peuvent effectuer de 50 à 60 sauts par minute, et chaque saut peut atteindre une hauteur de 300 mm. Les dimensions des plaques d’acier et la masse des dames se comparent à celles des plaques vibrantes. Avec les dames, ce sont les impacts répétés qui produisent l’énergie de compactage. On se sert de ce compacteur sur tous les types de sols, mais c’est surtout sur les sols pulvérulents que l’on obtient de bons résultats et à condition que l’épaisseur de la couche à compacter ne dépasse pas 150 mm. Comme les plaques vibrantes, les compacteurs à impacts sont utilisés dans les endroits exigus où il est impossible de faire circuler des rouleaux comme le fonds des tranchées ou les espaces limités par des murs de fondations ou des murs de soutènements. V.2 Les facteurs agissant sur le compactage Un certain nombre de facteurs peuvent avoir une influence considérable sur la qualité du compactage de surface. Les plus importants sont la teneur en eau de la couche de sol durant le compactage, le nombre de passes, l’épaisseur de la couche, le poids du compacteur et la vitesse à laquelle se fait le compactage. V.2.1 La teneur en eau L’eau dans le sol joue un rôle important dans les opérations de compactage. En effet, pour que le compactage soit efficace la teneur en eau du sol doit se situer le plus près possible de la teneur en eau optimale (opt) déterminée dans l’essai Proctor. Dans la plupart des cas, un écart de ± 2% par rapport à la teneur en eau optimale est acceptable. Lorsque la teneur en eau sur le chantier est plus faible que la teneur en eau optimale, il faut plus d’énergie pour atteindre la compacité recherchée. Cette situation se rencontre le plus souvent dans les remblais de sols pulvérulents. On doit alors arroser la couche de sol avant de la compacter. 12

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Lorsqu’au contraire la teneur en eau est trop élevée, il est presque impossible d’atteindre la compacité exigée, car l’eau contenue dans les vides du sol absorbe une grande partie de l’énergie de compactage. C’est surtout pendant le compactage des sols cohérents que cette situation se présente. Pour diminuer la teneur en eau, on doit scarifier la surface de la couche de sol de manière à accélérer l’évaporation de l’eau. C’est une méthode laborieuse, qui devient évidemment impraticable lorsqu’il pleut. Pour réduire la teneur en eau d’un sol pulvérulent, on peut y ajouter un sol sec mais ce dernier doit toutefois présenter les mêmes caractéristiques que le sol en place. Ultimement, on pourra remplacer une partie de la couche de sol. Dans le cas des sols cohérents, on peut se servir de l’indice de consistance Ic pour déterminer l’influence de la teneur en eau sur les conditions de compactage (le tableau 5 donne le degré d’efficacité du compactage en fonction de l’indice de consistance Ic). On calcule cet indice à l’aide de l’équation suivante :

Où L = limite de liquidité  = teneur en eau sur le terrain, pendant le compactage Ip = indice de plasticité = L - P P = limite de plasticité

Tableau 5 : Conditions de compactage des sols cohérents en fonction de l’indice de consistance (d‘après Leroueil, 1985)

Ic < 0,5

Conditions de compactage Compactage impossible, sol boueux

0,5 –0 8

Compactage très difficile

0,8 –1,0

Compactage peu efficace

1,0 –1,1

Compactage efficace

1,1 –1,3

Compactage idéal

 1,3

Compactage difficile, sol trop sec 13

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V.2.2 Le nombre de passes Le nombre de passes d’un compacteur est directement proportionnel à la quantité d’énergie qu’il applique au sol : en augmentant le nombre de passes, on accroît l’énergie de compactage. De façon générale, il faut de 3 à 8 passes pour compacter une couche de sol de 300 mm d’épaisseur, mais ce nombre peut facilement atteindre 12 en fonction du type de sol, de la teneur en eau et de la masse du compacteur. Si la compacité voulue n’est pas atteinte après 12 passes dans des conditions optimales d’humidité, on conclut que les opérations de compactage n’ont pas atteint leur but et que le compacteur utilisé n’est probablement pas adéquat. V.2.3 L’épaisseur de la couche Pour que le compactage d’une couche de sol soit efficace et la compacité soit plus uniforme possible, il faut limiter l’épaisseur de la couche. En principe, elle ne devrait pas dépasser 300 mm. Toutefois, dans le cas des sables propres à granulométrie serrée, il est préférable d’augmenter l’épaisseur de la couche, car ces sols sont très perméables et ont tendance, lorsqu’ils s’assèchent à perdre facilement leur compacité sous le passage répété de véhicules. On recommande des couches de 600 mm pour cette catégorie de sols. Il faut également prévoir des couches plus épaisses lorsque le sol sous les couches de remblai est trop faible et déformable. Le compactage par couches de faible épaisseur présente deux grands avantages :  il permet, lors du compactage d’une couche de sol, de compacter à nouveau la partie supérieure de la couche sous-jacente. Il est en effet bien connu qu’après un compactage, la partie supérieure d’une couche de sol est généralement moins compacte que sa partie inférieure.  Il facilite la réalisation des essais de vérification sur le chantier, ce qui améliore le contrôle de la qualité du compactage. Plus un compacteur est lourd, plus on peut augmenter l’épaisseur de la couche du sol. Lorsqu’on utilise des rouleaux vibrants sur un sol pulvérulent, la couche peut avoir jusqu’à 600 mm d’épaisseur. V.2.4 La masse des compacteurs L’efficacité d’un compacteur dépend en partie de son poids : plus un compacteur est lourd, moins il faut de passes pour produire la compacité désirée. On peut en déduire qu’il est avantageux de charger l’appareil au maximum. Il faut néanmoins agir prudemment sur les compacteurs très lourds, car leur passage sur le sol peut causer un surcompactage. Le surcompactage entraîne parfois la rupture des couches inférieures de sol, lorsque leur 14 COURS DE L1-L3 USTCI - RUSTA

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compacité maximale a été atteinte. Dans les sols pulvérulents, le surcompactage peut également briser les particules de graviers et de sable, augmentant ainsi la quantité de particules fines ; le sol devient alors plus capillaire et, par conséquent, plus gélif. V.2.5 La vitesse des compacteurs Pour que l’énergie de compactage se transmette au sol le plus adéquatement possible, on doit limiter la vitesse de la plupart des compacteurs à environ 8 km/h. Dans le cas des compacteurs vibrants, la vitesse optimale devra se situer autour de 5 km/h pour que les vibrations puissent agir efficacement sur toute l’épaisseur de la couche. Si le compacteur avance trop vite, il faudra davantage de passes pour atteindre la compacité désirée. VI. Le compactage en profondeur Lorsque de lourds ouvrages sont construits sur un dépôt de sol profond de faible compacité, le compactage en surface ne permet pas à stabiliser le sol de manière à éviter les risques de tassements importants. Il faut alors faire appel à d’autres moyens pour assurer la stabilité de l’ouvrage comme par exemple l’utilisation de fondations profondes, le remplacement du sol, l’injection de produits chimiques dans le sol, l’application de remblais de surcharge ou le compactage en profondeur. Cette dernière méthode s’impose parfois comme la solution la plus économique permettant, à la fois, de diminuer les tassements et d’augmenter la capacité portante du sol afin de la rendre conforme aux critères de conception. Il existe plusieurs techniques de compactage en profondeur parmi lesquelles le compactage dynamique et la vibroflotation sont les plus répandues. VI.1 Le compactage dynamique Le compactage dynamique est une ancienne technique que le Français Louis Ménard a améliorée au début des années 1970. Elle consiste à laisser tomber un pilon du haut d’une grue au même endroit à plusieurs reprises. Le pilon est constitué de plaques d’acier ou d’un bloc de béton ; sa masse varie normalement entre 10 et 40 tonnes et peut dans certains cas atteindre 200 tonnes. La hauteur de chute du pilon dépend de la grue qu’on emploie et en pratique, elle ne dépasse pas 35 m. Avant de commencer le compactage, il faut rendre la surface de travail horizontale et plane. Si le sol en place ne peut supporter le poids de la grue sans se tasser, on étend une couche de sol pulvérulent d’au moins un mètre sur le site ce qui réduira également l’enfoncement du pilon. On doit aussi s’assurer que le niveau de la nappe phréatique se situe au moins à 2 m sous la surface du sol. Si ce n’est pas le cas, il faut alors soit abaisser la nappe à l’aide d’un système de pompage, soit rehausser la surface du sol en érigeant un remblai de sol pulvérulent. 15

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Le compactage s’effectue suivant un quadrillage qui couvre toute la superficie du sol à traiter. Chaque croisement du quadrillage est compacté à plusieurs reprises, habituellement entre cinq et dix fois. La distance entre les points d’impact dépend du type de sol et de la profondeur d’influence qui a été spécifiée qui est plus ou moins égale à l’épaisseur du sol à traiter et situe généralement entre 5 et 8 m. Lorsque le pilon frappe le sol, il engendre une onde de choc sur une grande profondeur, ce qui amène les particules de sol à se rapprocher les unes des autres. Ainsi, la capacité portante du sol augmente et les risques de tassement diminuent. Dans les sols saturés, l’onde de choc augmente également les pressions interstitielles. Cela peut se traduire par la liquéfaction du sol, suivi d’un tassement rapide et de l’accroissement de la compacité. Pour permettre aux pressions interstitielles de se dissiper, on laisse habituellement s’écouler un temps de repos entre les impacts du pilon sur le sol. Dans le cas des sols pulvérulents, où les pressions interstitielles se dissipent rapidement, le temps de repos correspond au temps de remontée du pilon. Il est plus long quand il s’agit de sols cohérents. On peut évaluer la profondeur d’influence approximative du compactage à l’aide de l’équation suivante :

D  0,5 Wh où D = profondeur d’influence du compactage (m) W = masse du pilon (t) h = hauteur de chute du pilon (m)

On constate que plus la masse du pilon est grande et plus sa hauteur de chute est importante, plus la profondeur d’influence s’accroît. Par exemple, le compactage avec un pilon de 10 tonnes tombant d’une hauteur de 20 m aura la profondeur d’influence suivante : D  0,5 10t  20m  7,0 m

L’efficacité du compactage se vérifie tout au long des opérations à l’aide d’un essai de chantier comme l’essai pressiométrique, l’essai de pénétration standard ou l’essai de pénétration statique. En comparant les résultats de l’essai avant et après chaque pilonnage, on peut adapter les dimensions du quadrillage, la hauteur de chute ou la masse du pilon afin d’atteindre la compacité recherchée. Une façon simple de vérifier l’efficacité du compactage consiste à effectuer des mesures directes avec des appareils topométriques. On peut soit 16 COURS DE L1-L3 USTCI - RUSTA

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mesurer l’affaissement de la zone de travail, soit mesuré le volume net du cratère, qui correspond au volume total du cratère duquel se soustrait le volume du gonflement périphérique. Le compactage dynamique convient particulièrement bien aux sols pulvérulents perméables, y compris les sols contenant des cailloux et blocs, mais on peut aussi s’en servir sur les sols contenant une importante proportion de particules fines. Dans ce dernier cas, il pourrait être avantageux d’installer des drains verticaux dans le sol qui favoriseront une dissipation plus rapide des pressions interstitielles induites à chaque impact du pilon. Le compactage dynamique est surtout employé sur les chantiers de construction de bâtiments. En augmentant la capacité portante du sol, il permet de remplacer les fondations profondes par des fondations superficielles, ce qui réduit considérablement le coût des ouvrages. On l’utilise aussi pour construire des routes, des chemins de fer et des barrages en terre, compacter des dépotoirs municipaux ou industriels et stabiliser les dépôts de sol susceptibles de se liquéfier dans les zones où le risque de séisme est élevé. On s’en sert même pour compacter des dépôts de sol situés sous l’eau: on utilise alors un pilon profilé qui pénètre dans l’eau sans qu’il y ait trop grande perte d’énergie. Signalons qu’il est nécessaire de mesurer l’intensité des vibrations produites par l’impact du pilon sur le sol, car elles peuvent causer de lourds dommages aux constructions avoisinantes. Le compactage dynamique pourrait même être restreint ou interdit à cause de la présence d’ouvrages sensibles aux vibrations. De façon générale, le compactage peut se faire sans aucun danger à moins de 10 m des services souterrains, des culées de ponts et des réservoirs, par exemple, et au moins 20 m des maisons et des édifices modernes. La perception qu’on les gens qui habitent à proximité des travaux et les inconvénients que leur causent les vibrations pourraient cependant restreindre davantage l’utilisation du compactage dynamique. En effet, si de gens demeurent à moins de 60 m de la zone de travail, il faudra s’attendre à de rigoureuses plaintes de leur part. VI.2 La vibroflotation La vibroflotation est une méthode de compactage qui fait appel à un vibrateur électrique de 30 à 40 cm de diamètre, long de 3 à 5 m et pesant entre 3 et 6 tonnes. Le vibrateur est abouté à une colonne de tubes, et les deux sont suspendus à une grue. Leur longueur est égale ou supérieure à la profondeur du sol à compacter. Le vibrateur est descendu dans le sol et les vibrations qu’il engendre permettent d’accroître la compacité et la stabilité du sol.

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La vibroflotation

comporte trois

techniques

distinctes :

le vibrorefoulement,

le

vibroremplacement et le vibrocompactage. Les deux premières sont utilisées pour former des colonnes de gravier dans les sols fins et les argiles. Le vibrocompactage, comme le compactage dynamique, s’effectue suivant une grille prédéterminée qui couvre tout le site de compactage. Cependant, au lieu d’utiliser un quadrillage, on préfère se servir d’une grille constituée de triangles équilatéraux. La distance entre les croisements de la grille varie généralement de 2,5 à 3 m; une distance supérieure à 3,5 m peut diminuer considérablement l’efficacité du procédé. A l’aide de la grue, on amène le vibrateur au-dessus d’un croisement et on le laisse s’enfoncer verticalement dans le sol sous l’effet de son propre poids, des vibrations qu’il émet et d’un jet d’eau ou d’air comprimé projeté à partir de l’orifice situé à sa base. Si la pénétration du vibrateur est supérieure à 10 m ou si le sol est raide, on doit nécessairement utiliser un jet d’eau ; on parle alors de pénétration par lançage d’eau. Le vibrateur doit descendre dans le sol à une vitesse de 3 à 6 mètres par minute. Lorsqu’il a atteint la partie inférieure du dépôt de sol à compacter, on le remonte lentement, à une vitesse moyenne d’environ 0,3 mètres par minute. Les vibrations produites au cours de la remontée ont comme effet d’arranger les particules de sol en une structure beaucoup plus dense dans un rayon pouvant s’étendre de 1,5 à 4 m : c’est le rayon d’influence du vibrateur. Le vide qui se forme le long du vibrateur est rempli avec du gravier. Durant la remontée du vibrateur, on contrôle l’homogénéité du compactage en mesurant en continu la consommation d’électricité. On procède aussi à des essais de chantier pour vérifier le degré de compacité du sol. Les essais couramment utilisés sont les essais de pénétration standard et statique ainsi que l’essai pressiomètrique. De préférence, on effectuera les essais aux endroits où on est susceptible de rencontrer les degrés de compacité les plus faibles, c’està-dire au centre des triangles qui forment la grille. Le vibrocompactage ne s’emploie généralement qu’avec les graviers et les sables contenant moins de 20% de particules passant le tamis de 80m. Dans ces sols, il permet d’atteindre un indice de densité relative égal à 70% ; dans les sables propres, il peut augmenter cet indice à plus de 90%. C’est une technique qui permet de compacter facilement un dépôt de sol de 8 à 10 m d’épaisseur et même, dans certains cas, de 30 m d’épaisseur. Le vibrocompactage convient particulièrement aux projets dont la superficie est restreinte, par exemple le compactage en profondeur des fondations de bâtiments et de réservoirs ou l’amélioration des fondations déjà existantes de remblais ou de toute autre construction. On 18

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s’en sert aussi pour stabiliser les dépôts de sable susceptibles de se liquéfier dans les régions où le risque de séisme est élevé.

VII PORTANCE La portance d’un sol est une caractéristique importante pour le dimensionnement des chaussées. Elle est définie par : -

le coefficient CBR

-

le module de réaction Ks

Le coefficient CBR peut être déterminé au laboratoire ou au chantier. Le module de réaction Ks est déterminé à partir de l’essai de charge à la plaque.

VII.1 Le coefficient CBR Le coefficient CBR se définit comme étant le rapport exprimé en % entre les pressions produisant un enfoncement donné d’un poinçon standard dans le matériau étudié d’une part et dans un matériau standard d’autre part. VII.2 Détermination du CBR au laboratoire L’essai CBR consiste à poinçonner un matériau dans un moule à l’aide d’une presse. L’aire du poinçon et la vitesse de poinçonnement sont normalisées (19,35 cm2 et 1,27 mm/min respectivement). Pour confectionner le moule, on utilise le poids volumique maximum sec et la teneur en eau optimale obtenus à partir de l’essai de compactage Proctor. Pour obtenir l’évolution du CBR en fonction du poids volumique sec, on fait varier l’énergie de compactage (on utilise 3 moules compactés respectivement avec 10, 25 et 55 coups de marteau) Une fois le moule rempli de matériau compacté (avec sa plaque de base et les anneaux de surcharge) et positionné sur la presse (le poinçon doit être centré dans l’ouverture des anneaux de surcharge et en contact avec la surface supérieure du matériau), il suffira de lire les charges appliquées sur le matériau à différents enfoncements (0,5 ; 1,0 ; 1,5 ; 2,0 ; 2,5 ; 3,0 ; 4,0 ; 5,0 ; 7,5 ). On trace par la suite les courbes de poinçonnement (enfoncement en mm Vs Contrainte en Kg/cm²) à partir desquelles on détermine les valeurs correspondantes à des enfoncements de 2,54 et 5,08 mm. Le coefficient CBR est ainsi calculé : 19

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- CBR à 2,54 mm d’enfoncement = 100* contrainte appliquée / 70,3 - CBR à 5,08 mm d’enfoncement = 100* contrainte appliquée / 105,1 Le coefficient CBR est le plus élevé de ces deux valeurs.

Photo 2 : Moule et Presse CBR

VII.3 Essai de chargement à la plaque Un essai de plaque est un essai de chargement effectué à la surface du sol à l’aide d’une plaque rigide circulaire. L’essai consiste à mesurer l’enfoncement (la déflexion) de la plaque sous l’application de charges statiques suivant un programme de chargement qui impose, soit les charges, soit les enfoncements. L’essai Westergaard est l’essai de plaque le plus utilisé ; il est décrit ci-après. VII.3.1 Dispositif d’essai L’essai est réalisé au moyen d’une plaque rigide circulaire de diamètre 76,2 cm (30 pouces). Cette plaque est chargée à l’aide d’un vérin qui, généralement, prend réaction sur un véhicule lesté (figure suivante). L’enfoncement de la plaque est mesuré par trois comparateurs mécaniques qui sont reliés à une base fixe non influencée par les mouvements du sol autour de la plaque lors de son chargement. VII.3.2 Procédure d’essai 20

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La plaque est posée sur un sol aplani, si nécessaire après interposition d’une mince couche de sable. Elle reçoit une première charge de 10 kPa (poids de la plaque inclus) que l’on maintient jusqu’à stabilisation. La plaque est ensuite chargée à 70 kPa et cette charge est maintenue jusqu’à la stabilisation du tassement. VII.3.3 Calcul du module de réaction Par définition, le module de réaction, dit encore module de Westergaard, est le quotient : K

P S

où la charge P est égale à 60 kPa et S est le déplacement moyen des comparateurs entre les deux paliers de chargement. Ce module de réaction s’exprime en kN/cm3. Il est utilisé essentiellement pour la réception des remblais destinés à supporter des dallages (dalle sur sol, radier...).

Figure 3 : Essai de chargement à la plaque

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