Cours Terre Armee [PDF]

Zitiervorschau

ENS-Cachan Année 2007-2008

Cours

Terre Armée

Auteur : Philippe Reiffsteck Laboratoire Central des Ponts et Chaussées Division Mécanique des Sols des Roches et de la Géologie de l’Ingénieur 58, boulevard Lefebvre 75732 Paris cedex 15 Tél : 01 40 43 52 73 Fax : 01 40 43 65 11 Email : [email protected]

Cours de terre armée

Ph Reiffsteck

AVANT-PROPOS

Ces éléments de cours ont été élaborés en s’appuyant sur les notes de cours de : - Luc Delattre, François Schlosser, Nguyen Than Long - ainsi que sur les documents normatifs ou de la littérature spécialisée citée en bibliographie.

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Cours de terre armée

Ph Reiffsteck

Plan 1.

INTRODUCTION ............................................................................................................................................... 5

2.

CONCEPT ........................................................................................................................................................ 5

2.1.

TECHNOLOGIE.......................................................................................................................... 6

2.1.1. 2.1.2.

2.2.

DURABILITÉ DES OUVRAGES..................................................................................................... 9

2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4. 2.2.5. 2.2.6.

2.3.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA TERRE ARMÉE ........................................................................ 12 FROTTEMENT SOL-ARMATURE ........................................................................................................ 13 COMPORTEMENT DE LA TERRE ARMÉE ................................................................................... 14

3.3.1. 3.3.2. 3.3.3. 3.3.4.

3.4.

MISE AU POINT DE LA METHODE DE DIMENSIONNEMENT ......................................................................... 24

DIMENSIONNEMENT INTERNE................................................................................................. 24

4.1.1. 4.1.2.

4.2.

COMPORTEMENT DES MURS .......................................................................................................................24 GENERALITES SUR LE CALCUL DES MURS EN TERRE ARMEE.....................................................................27

DIMENSIONNEMENT EXTERNE ........................................................................................................ 32

4.2.1. 4.2.2. 4.2.3.

4.3.

COMPORTEMENT DES MURS EN TERRE ARMÉE ET TASSEMENTS ADMISSIBLES ......................................32 STABILITÉ DE LA FONDATION .......................................................................................................................32 STABILITE GENERALE ET DRAINAGE ............................................................................................................35

CONCLUSIONS....................................................................................................................... 36 METHODE DE DIMENSIONNEMENT SELON LA NORME NF P94-220........................................................... 36

5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.4.1. 5.4.2. 5.4.3. 5.4.4. 5.4.5.

5.5.

DESCRIPTION DES ESSAIS .....................................................................................................................................14 RÉSULTATS DES ESSAIS .........................................................................................................................................15 CARACTÉRISTIQUES DU MATÉRIAU TERRE ARMÉE....................................................................................................17 ÉTUDE THÉORIQUE ..............................................................................................................................................21

CONCLUSIONS....................................................................................................................... 23

4.1.

5.

CHOIX DU MATÉRIAU ..........................................................................................................................................12

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT................................................................................................................. 12

3.1. 3.2. 3.3.

4.

LE PHÉNOMÈNE DE CORROSION PAR LES SOLS ........................................................................................................9 CONDITIONS DE TRAVAIL DES ARMATURES ..............................................................................................................9 CONNAISSANCES ANTÉRIEURES SUR LA CORROSION .............................................................................................10 CONNAISSANCES ACTUELLES SUR LA CORROSION ................................................................................................10 DURABILITÉ DES ARMATURES MÉTALLIQUES ............................................................................................................10 DURABILITÉ DES ARMATURES SYNTHÉTIQUES ...........................................................................................................11

MATÉRIAU DE REMBLAI........................................................................................................... 12

2.3.1. 3.

LA TERRE ET LES ARMATURES ..................................................................................................................................6 LES PEAUX............................................................................................................................................................7

DÉFINITIONS ET DISPOSITIONS CONSTRUCTIVES ................................................................................ 36 PRINCIPE DE JUSTIFICATION .......................................................................................................... 38 ÉLÉMENTS GÉNÉRAUX DE CONCEPTION .......................................................................................... 38 MATÉRIAUX ............................................................................................................................... 39 SOL ...................................................................................................................................................................39 LITS DE RENFORCEMENT ......................................................................................................................................39 INTERACTION SOL-ARMATURE ..............................................................................................................................39 PAREMENT .........................................................................................................................................................40 DURABILITÉ ........................................................................................................................................................40

STABILITÉ EXTERNE ....................................................................................................................... 40 3

Cours de terre armée 5.5.1. 5.5.2.

5.6.

STABILITÉ INTERNE ........................................................................................................................ 42

5.6.1. 5.6.2.

5.7. 5.8. 6.

6.1. 6.2. 6.3. 6.4.

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SCHÉMATISATION ...............................................................................................................................................40 JUSTIFICATION ....................................................................................................................................................42 SCHÉMATISATION ...............................................................................................................................................43 JUSTIFICATION ....................................................................................................................................................44

STABILITÉ GLOBALE ...................................................................................................................... 44 DÉFORMATIONS.......................................................................................................................... 45 PRINCIPE D'EXÉCUTION................................................................................................................................ 45

MISE EN OEUVRE DE L'OUVRAGE ................................................................................................... 45 APPROVISIONNEMENT ET STOCKAGE .............................................................................................. 46 PRINCIPE GÉNÉRAL DE MONTAGE .................................................................................................. 46 EXÉCUTION DES REMBLAIS ET DU COMPACTAGE............................................................................... 47

7.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................................................ 48

8.

EXERCICES .................................................................................................................................................... 49

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1.

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INTRODUCTION

Le matériau terre armée, inventé par Henri Vidal en 1966, a connu un large développement depuis quelques années dans le domaine du génie civil (figure 1-1). Le Laboratoire central des Ponts et Chaussées a participé à cet essor : - d'une part, en effectuant d'importantes recherches sur le matériau et sur les méthodes de dimensionnement des ouvrages ; - d'autre part, en conseillant et en suivant la réalisation d'un certain nombre d'ouvrages, notamment les tous premiers (Autoroute A 8, Roquebrune-Menton).

Figure 1-1. – Henri Vidal

Figure 1-2. – répartition des tractions le long des armatures

Le procédé, à l’origine couvert par des brevets, était exploité en France de manière exclusive par la Société La Terre Armée intégrée depuis 1998 dans le Groupe Freyssinet. Ce document, qui s'appuie en partie sur la connaissance des Laboratoires des Ponts et Chaussées dans le domaine de la terre armée, a pour but de définir les possibilités et les conditions d'emploi de cette technique. Il aborde successivement les points suivants : • Principe. • Technologie. • Dimensionnement. • Exécution. • Domaines d'utilisation. C'est dans le domaine des ouvrages de soutènement que la terre armée a trouvé son plus grand développement. Les massifs en terre armée fonctionnant comme des ouvrages lourds et souples peuvent remplacer des ouvrages classiques, tels que murs de soutènement, murs de quai, culées de pont, etc. Il peut, dans certains cas, en résulter une économie très importante ; parfois même, la technique de la terre armée est, compte tenu de sa souplesse, la seule technique valablement utilisable. On ne traitera dans ce document que ce seul domaine, mais les règles essentielles pourraient être étendues aux autres ouvrages, tels que les radiers de fondations et les voûtes.

2.

CONCEPT

La terre armée est avant tout un matériau composite. Elle est en effet formée par l'association de terre et d'armatures, ces dernières étant le plus souvent des bandes métalliques ou synthétiques placées horizontalement et susceptibles de supporter des efforts de traction importants (figure 1-2). Comme le béton armé, elle présente l'avantage de pouvoir améliorer, avec économie, les propriétés mécaniques d'un matériau de base, la terre, en n'armant que dans les directions où ce dernier est le plus sollicité. C'est le frottement entre la terre et les armatures qui est le phénomène essentiel dans la terre armée : la terre transmet aux armatures par frottement les efforts qui se développent dans la masse, les armatures se mettent alors en traction et tout se passe comme si la terre possédait, dans les directions où sont placées les armatures, une cohésion dont la valeur est directement proportionnelle à la résistance à la traction des lits d'armatures.

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Le principe de la terre armée repose ainsi sur l'existence d'un frottement entre le sol et les armatures ; il nécessite que le matériau de remblai utilisé ait un bon frottement interne, ce qui écarte a priori l'utilisation de sols comme les argiles. Dans un ouvrage en terre armée, sur la face externe il est nécessaire de prévoir une « peau » pour empêcher la terre de s'écouler entre les armatures et pour donner aux parements la forme voulue. Des expérimentations sur des ouvrages permettent d'expliquer le mécanisme de fonctionnement d'un massif en terre armée en précisant la répartition des efforts de traction le long des armatures. La figure 1-2 donne schématiquement cette répartition. On constate que : 1- l'effort de traction présente un maximum qui n'est pas à l'aplomb du parement. La peau joue donc mécaniquement un rôle beaucoup moins important que les armatures, car son action est locale ; 2 - les points de traction maximale sont situés sur une courbe assez proche du parement ; 3 - la composante tangentielle de la contrainte exercée par le sol sur chaque face étant égale à: T: traction dans l'armature dT 1 × τ = l : abscisse sur l'armature dl 2.b b: largeur de l'armature les points de traction maximale permettent de séparer deux zones dans le massif : - une première zone située près du parement dans laquelle la contrainte tangentielle étant dirigée vers le parement, la terre a tendance à entraîner les armatures : c'est la zone active ; - une seconde zone dans laquelle la contrainte tangentielle étant dirigée vers l'intérieur, le sol a tendance à retenir les armatures : c'est la zone résistante. L'un des aspects caractéristiques des massifs en terre armée est que la frontière entre ces deux zones est essentiellement évolutive en fonction de la géométrie du massif, des sollicitations exercées, des déformations du sol de fondation, du frottement entre le sol et les armatures. Ce principe de fonctionnement est à la base des méthodes de dimensionnement interne des massifs en terre armée. On doit vérifier, d'une part, que les efforts de traction maximaux sont compatibles avec les résistances à la traction des lits d'armatures et, d'autre part, que la surface frottante des armatures dans la zone résistante est suffisante pour permettre d'équilibrer les tractions maximales correspondantes. Pratiquement, la plupart des ouvrages réalisés à ce jour ont une section rectangulaire.

2.1.

TECHNOLOGIE

2.1.1. La terre et les armatures La terre et les armatures sont les éléments essentiels du matériau terre armée. La résistance à la traction et la flexibilité des armatures procurent au matériau, par le biais du frottement avec la terre, cohésion et souplesse. LA « TERRE » Le matériau de remblai utilisé doit satisfaire à certains critères de granulométrie et de teneur en eau afin que le frottement terre-armatures soit assuré, qu'il ne puisse pas se développer des pressions interstitielles dans le massif armé et pour que la mise en place et le compactage par couches soient aisés. Il doit, par ailleurs, répondre à certaines conditions électrochimiques vis-à-vis de la corrosion du métal constituant les armatures (cf. 11.2.). LES ARMATURES Le choix de la répartition et des longueurs des armatures résulte du calcul de la stabilité interne du massif. La résistance à la traction de l'armature ainsi que sa flexibilité sont des éléments essentiels de cette stabilité. La «durabilité» de l'armature devra être intégrée dans le coefficient de sécurité adopté pour l'ouvrage. Les armatures sont constituées généralement par des plats ; on peut, dans certains cas, utiliser des grillages. Elles sont le plus souvent en acier galvanisé, parfois en alliage aluminium AG4 MC et l'on prévoit dans un prochain avenir l'utilisation d'acier inoxydable comportant 17 % de chrome (Z 8 C 17). Les armatures ont une largeur de 40 à 120 mm et sont percées à leurs extrémités pour permettre un boulonnage sur la peau. Les caractéristiques des différents matériaux utilisés sont résumées dans le tableau 1, les boulons utilisés sont réalisés avec le même matériau que les armatures (tableau 2).. L’utilisation d'armatures synthétiques a été initiée en 1978 en Royaume Uni par la société Websol. Dés 1980, la société la terre Armée a envisagé l'utilisation d'armature constituée de bandes de Tergal. Les armatures synthétiques appelées PARAWEB_2S sont constituées de 10 faisceaux séparés de fibres de polyester protégées ultérieurement par une peau de polyéthylène. Elles sont de largeur 85 à 90 millimètres et d'épaisseur variant de 4 à 6 millimètres En fonction du nombre de fibres, les armatures standards sont de nuances 30,50, 75 ou 100 KN (résistance à la rupture garantie). Elles sont livrées en rouleaux de 100 ml facilement manipulables. Si nécessaire, d'autres nuances sont disponibles.

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Cours de terre armée Tableau 1 Matériau

Ph Reiffsteck Épaisseur courante mm

Acier galvanisé par le procédé Sendzimir Alliage d'aluminium AG4 MC Acier inoxydable Z 8 C 17 polyester Tableau 2 Matériau Nuance Protection anticorrosion

3

Limite rupture kg/mm² 36

de

2

30

23

6

15

1,5

65

50

7.5

24

Acier galvanisé HR galvanisation à chaud

Limite élastique kg/mm² 24

Allongement % 25

Taux de travail moyen kg/mm² 12

Alliage d'aluminium AGS oxydation anodique bichromage

Acier inoxydable Z 8 C 17

2.1.2. Les peaux La peau a pour but de retenir la terre entre deux lits d'armatures au voisinage immédiat des parements des ouvrages. Bien qu'elle ne soit pas importante pour la stabilité de l'ouvrage, la peau doit cependant pouvoir s'adapter sans désordre et sans introduire d'efforts parasites, aux déformations du massif de terre armée. La peau est par ailleurs un élément esthétique des parements de l'ouvrage qu'il ne faut pas négliger. Les peaux sont constituées d'éléments préfabriqués soit métalliques (parement d’origine), soit en béton, facilement maniables et permettant un assemblage rapide.

Peau en écaille de béton

Profil d'un élément métallique

Peau en écaille béton

Peau à éléments métalliques Figure 2-1. - Parement

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a - Parement métallique (fig. 2-1) Il est réalisé en acier galvanisé ou en acier ordinaire de mêmes caractéristiques que les armatures et constitué d'éléments profilés de 33,3 cm de hauteur utile. La section d'un élément est semi-elliptique et comporte un retour en épingle formant couvre-joint continu. Les éléments sont percés de trous permettant le boulonnage entre eux et sur les armatures. Ce type de parement, qui fut le premier utilisé, doit à sa forme en profil ouvert et à sa faible épaisseur, une flexibilité qui lui permet de s'adapter aux déformations éventuelles. Les éléments standards sont droits et ont une longueur de 10 m et un poids de 115 kg. Des éléments plus courts sont livrés pour les raccordements aux extrémités. Des éléments spéciaux sont prévus pour les angles. b - Parement « Écailles de béton» (fig. 2-2) Ce sont des plaques de béton cruciformes d'un poids moyen d'une tonne, séparées par des joints épais. Elles sont imbriquées les unes dans les autres par un système de goujons verticaux destinés à faciliter le montage et à assurer la continuité de la peau, même dans le cas de tassements différentiels importants. Le parement obtenu est une mosaïque dont le module est de 1,5 x 1,5m. Bien que chaque élément soit rigide, l'ensemble donne au parement une flexibilité verticale du même ordre que celle des éléments métalliques. Les possibilités de rotation autour des goujons permettent de réaliser des murs courbes avec des écailles standards jusqu'à 20 m de rayon minimum (fig. 2-3).

Figure 2-2. - Mur courbe - Domaine des Gâtines, à Plaisir.

Figure 2-3. - Caractéristiques du parement"écailles du béton".

Des effets architecturaux peuvent être envisagés en modifiant l'aspect et la forme de la surface extérieure des écailles standards (fig. 2-4). Les écailles comportent 4 ou 6 amorces d'armatures percées de trous permettant le boulonnage des armatures. La disposition de ces amorces comme l'imbrication des éléments les uns dans les autres permettent' d'assurer le compactage du massif par couches de 37,5 cm d'épaisseur dans des conditions identiques à celles des massifs à parements métalliques. CARACTÉRISTIQUES USUELLES (fig. 2-3) - épaisseur : 18 à 22 cm, - hauteur utile : 150 cm, - largeur utile : 150 cm - distance verticale entre lits d'armatures : 75 cm. Des écailles spéciales sont utilisées pour le raccordement avec les ouvrages en béton et dans la partie haute des murs à pente variable. Les amorces d'armatures sont de même nature que le métal utilisé pour les armatures.

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Figure 2-4. Effets architecturaux grâce à des coffrages spéciaux

2.2.

DURABILITÉ DES OUVRAGES

2.2.1. Le phénomène de corrosion par les sols La durabilité des ouvrages en terre armée dépend principalement de la résistance de leurs armatures à la corrosion par les sols. Les matériaux de remblais utilisés sont prélevés dans des « sols non organiques », tels que des sables ou des graviers, qu'aucune activité biologique ne modifie. Pour les prévisions de durabilité, ils peuvent donc être considérés comme chimiquement stables. Les grains du sol sont toujours entourés d'eau. Dans le cas d'un sol assez humide, l'eau relie les différents grains alors que si le sol est « sec », l'eau ne recouvre les grains que suivant une couche très mince. C'est cette eau qui joue un rôle dans la corrosion des métaux. Les armatures sont métalliques : acier doux ordinaire ou galvanisé, acier inoxydable, alliage d'aluminium. La durabilité d'une armature dépend de son comportement chimique et électro-chimique au contact des grains du sol. En effet, à la température ambiante, un métal se corrode suivant un processus électro-chimique : les ions métalliques passent dans la solution liquide environnante (dissolution) en certains endroits dits « zones anodiques », alors que d'autres réactions se produisent dans des « zones cathodiques ». Les intensités des courants électriques entre ces zones s'équilibrent. L'existence de ces zones est due à des différences de potentiel créées par des gradients de teneur en oxygène (aération différentielle) dans l'eau du sol. Cette « aération différentielle » peut jouer à deux échelles très distinctes : - lorsque le remblaiement d'un ouvrage est effectué avec des matériaux de natures très différentes, dans lesquels l'eau peut dissoudre des quantités très différentes d'oxygène, ce sont les types de sols eux-mêmes qui délimitent les zones anodiques et cathodiques; - lorsqu'une goutte d'eau relie un grain du sol au métal de l'armature, le centre de la goutte dissout moins d'oxygène que sa périphérie. Les points de contact, au centre de la goutte, entre les grains du sol et l'armature sont donc des zones anodiques. Un métal peut résister à la corrosion soit par impossibilité de dissolution, « immunité », soit par formation d'une couche protectrice à base d'oxydes, « passivation ». Les couches passivantes peuvent être détruites par la présence de certains éléments ionisés dans l'eau, tels que le chlore et provoquer la corrosion du métal sous-jacent. Une armature dans la terre armée peut se corroder sous plusieurs formes : - par dissolution généralisée : son épaisseur diminue alors de la même façon en tout point ; ce cas est en fait assez rare ; - par piqûres : les zones anodiques (de dissolution) ont une surface nettement plus petite que les zones cathodiques et la corrosion est d'autant plus forte que le rapport de ces surfaces est plus faible. C'est une corrosion au niveau de chaque grain du sol ; elle correspond au cas le plus fréquent ; - par fissuration : une fissuration ne pourrait se produire que dans un métal « passivé » (du type de certains aciers inoxydables ou de certains alliages d'aluminium) dont la couche protectrice est détériorée par des anions (chlore de l'eau de mer, etc.). La fissuration suit alors les joints entre les cristaux du métal sans que celui-ci soit autrement altéré. Ce type de corrosion n'est pas à craindre avec l'acier doux galvanisé ou non, ni avec les alliages d'aluminium AG4 MC. 2.2.2. Conditions de travail des armatures Les armatures de terre armée n'ont pas une résistance mécanique exceptionnellement élevée. Leur mode d'élaboration ne comporte pas des traitements thermiques qui les rendent sensibles à la fissuration par corrosion sous tension. Cependant, comme elles sont soumises à des efforts de traction correspondant à des contraintes inférieures à la moitié de leur limite élastique, il est acceptable d'étudier les phénomènes de corrosion en service sur des éprouvettes non tendues. Mais la localisation préférentielle de la corrosion dans les piqûres et les éventuelles fissures impliquent qu'il faut mesurer la variation des caractéristiques mécaniques après différentes durées de corrosion. En effet, certaines piqûres profondes peuvent abaisser très nettement la charge maximale d'une armature même si celle-ci n'est pas entièrement corrodée. 9

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2.2.3. Connaissances antérieures sur la corrosion Lorsqu'un matériau métallique est enterré, il se corrode. La vitesse de corrosion est très variable, puisque certaines pièces préhistoriques peuvent ne pas encore être détruites alors que d'autres plus récentes se corrodent très vite. Cette dispersion de la vitesse de corrosion est due à la nature des métaux enterrés et aux caractéristiques des sols. Des études systématiques ont été faites pour des constructions bien définies, telles que les buses, les pieux, les palplanches ou même les câbles électriques. Les résultats de ces études ne sont pas directement applicables, et cela pour deux raisons principales : • La première est que les constructions étudiées sont soit directement enfouies dans des sols en place (pieux), soit enterrées dans un sol partiellement remanié en surface. à une profondeur faible où l'activité « organique » du sol n'est plus négligeable (tuyaux. câbles, etc.). Cela n'est pas le cas des armatures de terre armée. • La seconde raison est que les observations ont été faites à propos de sols bien définis. Pour qu'elles soient transposables à d'autres sols, il aurait été indispensable de trouver un critère qui caractérise l'agressivité du sol vis-à-vis des métaux. Aucun critère simple n'a reçu l'unanimité des différents chercheurs. 2.2.4. Connaissances actuelles sur la corrosion Les recherches entreprises depuis les années 70 sur la corrosion des armatures de terre armée ont un objectif multiple. II s'agit d'abord de classer la résistance des différents métaux à la corrosion d'un sol donné, pour pouvoir éventuellement choisir au moment du projet un type d'armature acceptable. Inversement, il faut trouver une méthode permettant de choisir un matériau de remblai compatible avec le type d'armature donné. Enfin, il s'agit d'estimer la durabilité d'un ouvrage d'après des mesures faites sur des essais de durée nécessairement courte. Les premiers résultats des études faites à l’époque ont permis de mettre au point des méthodes rapides de classement des sols pour un type d'armature donné, ou de celui des armatures pour un sol donné. Il s'agit des mesures de résistance de polarisation du métal dans l'eau du sol qui sont complétées par des mesures de pH et de résistivité de l'eau du sol. Pour appliquer ces résultats à l'étude d'un projet d'ouvrage, on peut essayer en laboratoire les échantillons des différents remblais possibles et des différents types d'armatures à choisir. Les remblais sont définis par leur granulométrie et leur composition chimique. Les essais de laboratoire sont des mesures de la « résistance de polarisation » des métaux dans l'eau extraite du sol après 24 heures de maintien. Ces mesures sont complétées par des mesures de résistivité du sol, qui sont faites sur le matériau de remblai compacté d'une façon proche des conditions réelles de service et saturé pendant 24 heures d'eau distillée. Les autres essais concernent des dosages chimiques. Ils sont définis dans la partie suivante. Dans le domaine de la durabilité des armatures, les essais à 6 mois ont montré que le sable marin dissout au maximum 150 à 200 microns par an (sur les deux faces) d'acier doux ordinaire ou galvanisé, et 2 à 3 microns par an d'alliage d'aluminium (AG 4 MC). Pour un même métal, la vitesse maximale de corrosion mesurée dans d'autres sols est de 15 à 20 fois plus faible. Ces mesures ne donnent en fait que des indications qualitatives, permettant la comparaison des métaux, car les mesures de perte moyenne de matière ne mettent pas en évidence les formes des piqûres, leur taille et leur profondeur. Ces essais ont été complétés par d'autres «en vraie grandeur », c'est-à-dire dans des ouvrages réels. L'acier inoxydable choisi pour être éventuellement utilisé comme armatures de terre armée est un acier ferrique à 17 %, de chrome (Z 8 C 17). Les essais de corrosion sur ce métal ne sont pas encore très nombreux. Pourtant les premiers résultats, notamment ceux d'essais électro-chimiques, montrent que cet acier résiste bien à la corrosion par les sols qui ne sont pas au contact de l'eau de mer. Sa résistance à la corrosion par les sols sans chlorure est très comparable à celle de l'alliage d'aluminium AG 4 MC. 2.2.5. Durabilité des armatures métalliques Dans chaque cas, on distingue deux catégories d’ouvrages en terre armée : ouvrages à la mer, ouvrages terrestres. a - Pour les ouvrages provisoires, à la terre ou à la mer, on utilise de l'acier doux ordinaire de 3 mm d'épaisseur. b- Pour les ouvrages définitifs à la mer, sont autorisées : - les écailles en béton avec des armatures en AG 4 MC, dans le cas de construction à sec ; - les armatures et peaux en acier doux, dans le cas de construction immergée ; il faut alors prévoir une surépaisseur en fonction de la durée de vie souhaitée : section nécessaire plus 1 mm de part et d'autre pour une durée de vie estimée à 30 ans. c- Pour les ouvrages définitifs à la terre, dans l'état actuel de nos connaissances, on peut admettre que les domaines d'utilisation courante des armatures sont donnés dans le tableau 3, en fonction du pH de l'eau interstitielle et de la résistivité du matériau de remblai. 10

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Les indications du tableau 3 sont applicables a priori sans étude préalable dans le cas de sables et graves roulés non argileux (moins de 15 % en poids des éléments inférieurs à 80 microns). Dans ce cas, on se contentera de vérifier, en cours de travaux, les valeurs du pH et de la résistivité. Tableau 3 ; Domaines d'utilisation Métal Acier doux ordinaire Acier galvanisé Alliage AG 4 MC

PH minimum 6 6 4,5

maximum 10 9 A définir ultérieurement

Acier inoxydable Z8 C17

Résistivité minimale (Ω cm) 5 000 - 5 000 1 000

Le pH et la résistivité sont mesurés, en laboratoire, sur un échantillon saturé d'eau distillée et compacté dans des conditions de mise en oeuvre analogues à celles des chantiers. Lorsque la nature du matériau de remblai est différente (sables ou graves argileux au sens défini ci-dessus, déchets industriels. etc.), il sera nécessaire de réaliser une étude préalable pour déterminer la compatibilité du métal des armatures avec le matériau de remblai. Cette étude comporte obligatoirement l'ensemble des essais suivants à réaliser en laboratoire : - mesure du pH du remblai, - mesure de la résistivité du remblai, - mesure de l'acidité totale, - mesure de la salinité totale, - mesure de l'activité biologique, - mesure de la teneur en gaz dissous : oxygène et anhydride carbonique (CO2) - mesure de la résistance de polarisation. Enfin, il est rappelé que si la peau est métallique, les armatures, les amorces d'armatures, les boulons et la peau doivent être constitués du même métal. Si la peau est en écailles de béton, le ciment utilisé doit être compatible avec le métal des armatures 2.2.6. Durabilité des armatures synthétiques En complément des déformations élastiques instantanées, les fibres de polyester présentant un comportement à long terme dont la représentation typique figure 2-5 ci-dessous.

Figure 2-5. fluage d'un câble de parafil (fibre de polyesters)

Un fluage total obtenu est la résultante de trois comportements spécifiques successifs : -un fluage primaire 'quasi instantané ''(par exemple 0,6% en 7 jours, pour un effort appliqué de 40 % de la charge nominale de rupture appelée CNR) -un fluage secondaire (par exemple 0,20% à 400% CNR) -un fluage tertiaire (de courte durée) mais à l'issue d'une très longue période conduisant à la rupture, sous l'effort appliqué. Propriétés physico-chimiques des armatures synthétiques Toutes les expériences d'immersion dans l'eau de fibres nues de polyester constituant le PARAWEB-2S ont démontré que pour des conditions courantes de température, il n'y a pas de risques de dégradation du 11

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polyester par hydrolyse. De plus, toutes les expériences passées n'ont pu mettre en évidence de passage d'espèces ioniques au travers de barrières polyéthylènes (dixit Le fabricant). Les dommages mécaniques liés à la mise en place sont également un aspect important sachant que les déformations instantanées sont obtenues au compactage. L’extraction de bandes témoin de tous âges a mis en évidence l'absence de toute dégradation mécanique. l'enveloppe de polyéthylène joue effectivement un rôle de protection mécanique et permet l'emploi de presque tous les types de remblais (pour cette considération spécifique d'endommagement)

2.3.

MATÉRIAU DE REMBLAI

2.3.1. Choix du matériau Le choix du matériau de remblai répond à des considérations économiques et techniques. Pour un mur de soutènement en terre armée de 10 m de hauteur et de 8 m d'épaisseur supportant un remblai horizontal, le coût du matériau représente à l’origine 17 % du coût global de l'ouvrage. Bien que ce pourcentage ne soit pas très important, il convient cependant de réduire au minimum le coût du matériau de remblai en essayant de diminuer en particulier les frais de transport. Par ailleurs. le matériau de remblai doit être frottant car l'angle de frottement terre-armatures est une fraction de l'angle de frottement interne du matériau de remblai. Le dimensionnement interne d'un massif en terre armée requiert que le coefficient de frottement terre-armatures ait une valeur supérieure ou égale à 0,35. Cela conduit bien sûr à éliminer les matériaux trop argileux et à avoir des critères simples pour le choix des matériaux de remblai. Les divers critères exposés ci-dessous ne coïncident pas exactement avec les définitions et les critères utilisés 1 dans le domaine des terrassements . Un critère simple sur la granulométrie du matériau a été donné par la Société La Terre Armée. Il est le suivant : La partie fine du matériau, c'est-à-dire celle comprenant tous les éléments plus petits que 80 µm, doit être en pourcentage pondéral inférieure à 15 %. La dimension des gros éléments n'est limitée que pour des considérations d'exécution liées à la technologie de la terre armée : le sol ne doit pas comporter plus de 25 % en poids d'éléments compris entre 150 et 350 mm - la dimension 350 étant un maximum. Le critère sur la partie fine du matériau s'avère pessimiste lorsqu'on mesure directement en laboratoire le frottement entre le matériau de remblai et les armatures. C'est pourquoi, il est recommandé lorsque ce critère n'est pas satisfait pour un matériau qui apparaît économique, de faire mesurer en laboratoire le coefficient de frottement entre le sol et l'armature. Pour ce faire, l'essai réalisé doit être fait à la boîte de cisaillement, la partie inférieure étant remplie d'une pièce métallique de même nature que les armatures et la partie supérieure contenant un échantillon du matériau à tester.

Il est conseillé, sauf exception, d'opérer sur un sol saturé, ce cas étant le plus défavorable que l'on puisse rencontrer dans la pratique. L'essai doit par ailleurs être un essai rapide (vitesse de cisaillement de quelques millimètres par minute). Dans quelques cas particuliers, il peut être intéressant économiquement de ne pas utiliser le même matériau de remblai dans tout l'ouvrage. On peut, par exemple, utiliser un matériau de bonne qualité, c'est-à-dire très frottant, dans les zones où le frottement terre-armatures est le plus sollicité. Il en est ainsi dans les parties situées près des parements ou dans la partie supérieure des murs, lorsque ceux-ci sont soumis à des charges concentrées (culées de ponts). On peut également utiliser un matériau bien drainant pour empêcher une saturation éventuelle dans certaines parties comme la base et l'arrière du mur.

3.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 3.1.

Principe de fonctionnement de la Terre Armée

La terre armée est formée par l'association de terre et d'armatures, ces dernières étant le plus souvent des éléments linéaires (bandes métalliques) susceptibles de supporter des efforts de traction importants. Généralement les armatures sont distribuées dans le massif en terre armée de telle sorte que l'on puisse considérer le matériau terre année arme pratiquement homogène. Cependant les armatures ne sont placées que dans les directions où la terre est la plus sollicitée en traction et pour des raisons de mise en œuvre, il s'agit le plus souvent de directions horizontales et uniformes pour tout le massif. Dans un mur en terre armée par exemple, les armatures sont placées parallèlement et dans des lits horizontaux (figure 3-1). La terre armée

1

Cf. le Guide des Terrassements Routiers (Document LCPC-SETRA). 12

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apparaît ainsi comme un matériau composite relativement homogène mais fortement anisotrope. Cette homogénéité du matériau a beaucoup facilité l'étude et la définition de son fonctionnement.

Figure 3-1. Construction d’un mur en terre armée

3.2.

Frottement sol-armature

Comme il s'agit d'un phénomène essentiel dans le principe et le fonctionnement de la terre armée, le frottement entre la terre et les armatures a fait l'objet d'importantes études tant expérimentales que théoriques. Ces études se poursuivent. On n'abordera pas ici l'étude du frottement en fonction de la nature du remblai mais on s'intéressera à l'aspect mécanique de la liaison entre le sol et les armatures. Toutes les mesures faites sur des modèles réduits ou sur des ouvrages réels concordent pour montrer que dans une armature de terre armée, la force de traction varie d'un bout à l'autre de l'armature. Aux extrémités libres des armatures, cette force de traction est bien sûre nulle, mais elle n'est pas maximale sur le parement de l'ouvrage auquel sont fixées les armatures. L'équilibre local d'une armature montre que les variations de la force de traction entraînent des efforts de cisaillement sur les faces de l'armature (figure 3-2).

Figure 3-2. Variation de l’effort de traction dans l’armature et contrainte de cisaillement exercée par le sol sur l’armature

La contrainte de cisaillement τ exercée par le sol sur chaque face de l'armature a pour expression (en supposant qu'elle soit la même sur les deux faces) :

τ=

l dT . 2.b dl

où . T : traction dans l'armature l : abscisse du point considéré sur l'armature b . largeur de l'armature L'équilibre global de la portion d'armature située près d'une extrémité libre montre que pour qu'il y ait stabilité de l'armature, le coefficient terre-armature ne doit pas être partout totalement mobilisé.

13

Cours de terre armée Si σ est la contrainte normale exercée sur le plan de l'armature, cette condition s'écrit

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τ ≤ f σ

l'égalité n'ayant

pas lieu sur toute la portion de l'armature. L'hypothèse selon laquelle les efforts de cisaillement sur les deux faces de l'armature sont égaux n'est valable que dans la mesure où il y a symétrie par rapport au plan de l'armature à la fois pour la géométrie du massif et pour les sollicitations exercées (figure 3-3). Des essais réalisés sur modèles photoélastiques de murs en terre armée ont montré que dans ce cas il n'y a pas égalité des efforts de cisaillement sur les deux faces.

3.3.

COMPORTEMENT DE LA TERRE ARMÉE

Le comportement global de la terre armée résulte des caractéristiques mécaniques de ces deux constituants et de leurs proportions respectives. - On sait qualitativement que par le biais du frottement qui se manifeste entre le sol et les armatures, ces dernières se mettent en traction conférant ainsi au matériau terre armée une cohésion anisotrope. L'étude quantitative de cet effet des armatures ainsi que la répartition des efforts entre le sol et les armatures au cours d'une sollicitation donnée constitue un aspect fondamental du mécanisme de fonctionnement de la terre armée.

a). SYMÉTRIE : Échantillon de terre armée en compression simple. b). ASYMÉTRIE : Mur en terre armée soumis à l'effet de la pesanteur.

c). ASYMÉTRIE des efforts de cisaillement visualisée dans un essai sur modèle photo-élastique. Figure 3-3. - Contraintes de cisaillement exercées par le sol sur les deux faces d'une armature.

- Dans une tige cylindrique en acier entourée d’une gaine de caoutchouc tout effort de traction se répartit : entre un effort principal dans l'acier et un effort faible et souvent négligeable dans le caoutchouc compte tenu de la différence des modules de déformations de ces deux matériaux. La rupture de l'ensemble correspond à la limite de résistance en traction de l'acier et l'on ne mobilise que très peu la résistance du caoutchouc. De manière analogue, on peut se poser les questions suivantes sur le comportement du matériau terre armée : a). Comment se définit la rupture d'un tel matériau et quelles sont les caractéristiques mécaniques à la rupture ? b). Quelle part respective de la résistance à la traction des armatures et de la résistance du sol mobiliset-on au cours de la sollicitation depuis des valeurs très faibles des déformations jusqu'à la rupture ?

3.3.1. Description des essais Tous les essais ont été réalisés à l'appareil triaxial sur des échantillons cylindriques de sable armé par des disques horizontaux de feuilles d'aluminium. Les échantillons avaient 10 cm de diamètre et 20 ou 30 cm de hauteur (figure 3-4). Le sable utilisé a été du sable de Fontainebleau à granulométrie très serrée et à grains fins (diamètre moyen des grains : 0,1 mm). La densité était comprise entre les valeurs extrêmes γd = 1,39 et γd = 1,69 (figure 3-5). Chaque lit d'armatures était constitué par un disque circulaire de même diamètre que l'éprouvette comprenant une ou plusieurs feuilles d'aluminium de 18 µm d'épaisseur ayant une résistance 14

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moyenne à la traction de 11,3 N par centimètre linéaire. On note RT la résistance à la traction par unité de longueur d’un lit d'armatures.

Figure 3-4. - Caractéristiques géométriques des échantillons.

Figure 3-5. - Courbe granulométrique du sable de Fontainebleau.

Les lits d'armatures, tous identiques, étaient disposés horizontalement et régulièrement espacés d'une distance ∆H égale à 2, 3, 4 ou 10 cm. Les échantillons étaient ainsi armés de manière bidimensionnelle, ce qui diffère un peu de la réalité, où les lits d'armatures sont le plus souvent constitués de bandes métalliques relativement espacées. Ils présentaient une anisotropie orthotrope à axe de symétrie vertical. Les essais effectués ont été essentiellement des essais à contrainte latérale constante. Quelques essais Ko, à déformation latérale nulle, ont été effectués pour l'étude du comportement de la terre armée avant la rupture. Dans toutes les expériences, les essais sur le sable armé ont été effectués conjointement avec des essais identiques sur un sable non armé dans le même état de densité. 3.3.2.

Résultats des essais 3.3.2.1. Courbes efforts-déformations à contrainte latérale constante.

Les graphiques de la figure 3-6 montrent les courbes effort-déformation lors d'un essai à contrainte latérale σ3 constante pour un sable armé et un sable non arme dans les cas d'une faible et d'une forte valeur de la contrainte latérale σ3. On remarque sur ces graphiques que la partie commune des deux courbes est d'autant plus importante que la contrainte latérale σ3 est plus élevée. Le pic est obtenu pour des déformations sensiblement identiques (4 %) et, pour de grandes déformations, la résistance au cisaillement résiduel est approximativement la même. Par ailleurs, pour une même déformation axiale, les déformations latérales sont beaucoup plus faibles pour le sable armé que pour le sable non armé, ce phénomène étant dû au frettage par les armatures.

Figure 3-6. - Courbes efforts-déformations à contrainte latérale σ3 constante.

3.3.2.2. Courbe de rupture dans le plan des contraintes principales (σ1 , σ3), (figure 3-7) Si l'on caractérise la rupture de l'échantillon armé, sous une contrainte latérale donnée, par la valeur du pic de la courbe (σ1, σ3 , ε1), on peut tracer, dans le plan des contraintes principales σ1 et σ3 la courbe de rupture d'un 15

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sable armé caractérisé par la résistance des lits d'armatures par leur espacement ∆H et par le poids spécifique du sable γd. Cette courbe présente dans tous les cas l'aspect suivant : a). Tout d'abord, une partie incurvée dans la zone des faibles valeurs de la contrainte latérale. b). Puis une partie rectiligne, de loin la plus importante, qui présente la particularité d'être parallèle à la droite de rupture du sable non armé. c). Enfin, une partie incurvée dans la zone des fortes valeurs de la contrainte latérale σ3. Dans la première partie, le sable glisse entre les armatures qui ne sont pratiquement pas rompues à la fin de l'essai. C'est la rupture par défaut d'adhérence (figure 3-8b) ou rupture par décohésion, le frottement terre armature n'ayant pas une valeur suffisante eu égard aux sollicitations. Dans la partie rectiligne, il se développe toujours un plan de rupture très net dans les échantillons (figure 3-8c). C'est la rupture par cassure des armatures.

Figure 3-7. - Courbes de rupture du sable armé.

Dans la troisième partie, les points expérimentaux sont dispersés et les échantillons se rompent par flambement comme le montre la figure 3-8d. Ce phénomène de rupture est confirmé par le fait que son apparition est liée à la valeur de l'élancement de l'échantillon. Ces résultats permettent d'affirmer 1). Lorsqu'il y a rupture par cassure des armatures (développement d'un plan de rupture dans l'échantillon) les deux matériaux constituant la terre armée, c'est-à-dire les armatures et le sable, sont à l'état limite. En effet, les droites de rupture du sable armé et du sable non armé sont parallèles, ce qui montre que tout le frottement interne du sable est mobilisé. Le sable est à l'état limite par suite des fortes contraintes de cisaillement qui s'exercent au voisinage des armatures.

16

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Figure 3-8. - Vue des éprouvettes triaxiales – types de rupture

2). Dans la sollicitation considérée (contrainte verticale majeure perpendiculaire aux plans des armatures) la courbe de rupture est une droite d'équation

π ϕ  + .σ 3 + σ 0 ( RT , H , ϕ ) 4 2

σ 1 = tan 2 

où ϕ est l'angle de frottement interne du sable et où σ0 dépend à priori de la résistance RT des armatures, de leur espacement a ∆H et des caractéristiques mécaniques du sable (angle de frottement interne). L'existence de cette contrainte initiale σ0 montre que tout se passe comme si le sable armé possédait une cohésion de valeur

C=

σ0

2. K p

ayant un caractère essentiellement anisotrope. Cette valeur est fonction de la direction de la contrainte principale σ1 par rapport à la direction des lits d'armatures. Cette contrainte initiale σ1 est proportionnelle à la résistance à la traction RT des lits d'armatures et inversement proportionnelle à leur espacement ∆H. 3.3.3.

Caractéristiques du matériau terre armée

3.3.3.1. Comportement avant la rupture La figure 3-9 montre la comparaison entre les courbes contraintes-déformations du sable seul dans un essai Ko et du sable armé dans un essai à contrainte σ3 constante. Le sable dans l'échantillon de terre armée est dans un état au repos tant que la déformation axiale ne dépasse pas 0,3 %. Au-delà, le sable est progressivement mis dans un état de rupture jusqu'à atteindre l'équilibre limite lorsque les efforts de cisaillement développés au voisinage des armatures sont suffisamment importants. Il en résulte que, pour calculer les efforts de traction dans un lit d'armatures, dans un mur de soutènement en terre armée par exemple, il convient d'utiliser un 17

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coefficient K égal à Ko dans les zones les moins sollicitées (haut du mur) et égal à Ka dans les zones fortement sollicitées (milieu et bas du mur). Cette conclusion confirme tout à fait les résultats expérimentaux obtenus dans les murs d'Incarville et de Dunkerque (figure 3-10). L'étude de la mobilisation de l'angle de frottement ϕ et de la cohésion C (dont la valeur est égale à

σ0

2. K p

) au

cours de la déformation, permet de compléter les conclusions précédentes dans les zones au voisinage de la rupture. Les valeurs de l'angle de frottement interne ϕ et de la cohésion C mobilisés pour un pourcentage de déformation axiale donné, sont déterminées en prenant l'enveloppe (rectiligne) des cercles de Mohr correspondant à ce pourcentage donné de déformation axiale.

Figure 3-9. - Comportement de la terre armée avant rupture.

Figure 3-10. - État de la terre entre les armatures dans un mur en terre année.

Le graphique de la figure 3-11 montre ces variations pour un sable armé (chaque lit d'armatures étant constitué d'une feuille d'aluminium avec un espacement ∆H des lits d'armatures égal à 2 cm), et un sable seul à la même densité, lors d'un essai à contrainte latérale σ3 constante, variations que l'on obtient en traçant les droites enveloppes des cercles de Mohr d'iso-déformations.

Figure 3-11. - Mobilisation de la cohésion et de l'angle de frottement interne.

La cohésion, c'est-à-dire la résistance à la traction des armatures, est mobilisée très rapidement (pour le type d'échantillon considéré, 80 % de la valeur finale sont obtenus pour 0,2 % de la déformation axiale ε1) tandis que l'angle de frottement interne du sable n'est mobilisé que plus lentement et cette mobilisation est à peu près identique à celle du sable non armé, comme le montrent les graphiques de la figure 3-12 donnant l'évolution de l'angle de frottement interne ϕ pour différentes valeurs de l'espacement ∆H entre les lits d'armatures. A partir de 2 % de déformation axiale, on peut considérer que la résistance au cisaillement du sable est entièrement mobilisée, la rupture des armatures se produisant pour ε1= 4 %. Ainsi dans le cas des échantillons de terre armée étudiés (γd = 1,69 ; ∆H = 2 cm) , on peut résumer le comportement du sable armé dans un essai à contrainte latérale constante par les valeurs du coefficient K à utiliser dans le calcul d'un mur de soutènement en terre armée. 18

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Ph Reiffsteck Coefficient K

Déformation axiale ε1