CELB7chapitre2 Technique Paroi Moulée Tirant [PDF]

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CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS Chaire de géotechnique

Techniques d’exécution des parois moulées, parois préfabriquées et tirants d’ancrage

Nicolas Utter ( SOLETANCHE BACHY)

SB.PRO.Nut2003_05.doc

Génie géologique de la construction Techniques d’exécution parois moulées & préfabriquées –tirants d’ancrage

1.

LES PAROIS MOULEES 2 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6.

2.

MATERIEL D'EXCAVATION 3 LA BOUE DE PERFORATION 4 PANNEAUTAGE – PRINCIPES GENERAUX 5 JOINTS ENTRE PANNEAUX 6 LE FERRAILLAGE 8 LE BETONNAGE 9

LES PAROIS PREFABRIQUEES 10 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

3.

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PRINCIPE 10 AVANTAGES PRINCIPAUX 10 LIMITES ET EXIGENCES 11 POSE DES PANNEAUX 11

TIRANTS D’ANCRAGE 12 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7.

REMARQUE PRELIMINAIRE : REGLEMENTATION 12 DEFINITIONS – TERMINOLOGIE 12 TIRANTS ACTIFS / TIRANTS PASSIFS 13 MATERIAUX 14 TECHNOLOGIE 14 TIRANTS A CARACTERE PROVISOIRE/PERMANENT – LES DIFFERENTS TYPE DE PROTECTION 15 ESSAIS 18

4.

REGLEMENTATION 18

5.

QUELQUES REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES, INTERNET 18

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1.

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LES PAROIS MOULEES

La paroi moulée est un procédé qui permet de faciliter le creusement de grandes excavations en réalisant avant terrassement l'ouvrage destiné à assurer le soutènement latéral des terres. Très schématiquement, le procédé consiste à créer, en place dans le sol, un mur en béton armé par l'entremise d'une tranchée creusée mécaniquement sous protection d'un fluide bentonitique, tranchée qui est ensuite bétonnée en utilisant directement le terrain en tant que coffrage. La méthodologie propre aux parois moulées implique leur réalisation par panneaux unitaires juxtaposés selon une succession d'opérations élémentaires comportant les étapes suivantes:

séquence d’exécution ( outillage Hydrofraise ®) document SOLETANCHE BACHY

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1.1.

Matériel d'excavation 1.1.1. Les différents outillages L'outil classique d'excavation est une benne preneuse à coquilles d'un poids élevé, montée sur un porteur chenillé lourd. Les bennes peuvent être pendulaires, c'est-à-dire suspendues et manœuvrées par l'intermédiaire de câbles ou disposer de moyens de transmission plus rigides de type Kelly. Les bennes à câbles comportent de longues jupes latérales placées au-dessus des coquilles, de façon à augmenter leur poids, donc leur efficacité et assurer par plombage et auto-guidage la verticalité des parois avec des tolérances de l'ordre du pour cent. Une première amélioration a été l’apparition de bennes hydrauliques. Les bennes actuelles (SOLETANCHE BACHY :“ KS300 ” et « KS2 »), qui associent benne hydraulique et Kelly constituent une amélioration sensible du par leur puissance, leur souplesse et leur précision d’exécution. Les largeurs, c'est-à-dire l'épaisseur de la paroi, varient entre 0,40 m et 1,50 m et dépendent du type précis du matériel utilisé avec des largeurs usuelles tournant autour de 0,60 m à 0,80 m ou 1,00 m. En cas de rencontre d'obstacles ou de traversée de bancs durs et résistants, il peut être nécessaire d'ameublir préalablement le terrain avec un trépan. Les ébranlements ainsi causés peuvent parfois s'avérer gênants particulièrement au sein d'un environnement très sensible. C'est pourquoi est apparue une nouvelle génération de moyens d'excavation : les hydrofraises ( ou haveuses) à la fin des années 70. ; dérivées des machines de havage ou d'attaque ponctuelle utilisées dans le creusement des galeries, ces machines, à entraînement hydraulique, sont constituées de 2 tambours cylindriques à axe horizontal munis de dents ou de pics tournant en sens opposés. Le terrain est broyé et évacué en suspension dans la boue de forage selon le procédé de la circulation inverse avec aspiration immédiatement au-dessus des outils d'attaque. Les hydrofraises permettent de s'affranchir de tout trépannage pour pénétrer dans des roches de dureté moyenne (résistance à la compression simple inférieure à 80 MPa). Par contre, elles s'accommodent moins de terrains argileux mous ou très plastiques et nécessitent des centrales complexes de traitement des déblais, d'installation parfois délicate lorsqu'on ne dispose que d'emprises réduites.

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Précision d’exécution - apport de l’électronique embarquée

Les projets étant de plus en plus complexes et l’exiguïté des sites de plus en plus contraignante, il s’est avéré nécessaire de se doter d’outils de contrôle et de correction lors de la perforation : A la benne à câble, la précision est de l’ordre de 1% à 20 m de profondeur, et de 2% au-delà. Avec l’Hydrofraise, la précision est de l’ordre de 50/00 à 30 m de profondeur Cette précision est obtenue, grâce au système enpafraise, par un contrôle en permanence des déviations dans le sens Terre/fouille et dans le sens gauche/droite. Ce procédé permet au grutier de connaître, et donc de rectifier en temps réel les déviations de l’outil de forage en agissant sur les moteurs de l’hydrofraise. Benne hydraulique KS300 : le procédé SAKSO ( SOLETANCHE-BACHY). Ce procédé permet de travailler au plus proche des mitoyens en toute sécurité, ce qui est un atout précieux en site urbain dense. Il est possible de travailler au plus près de mitoyens : la distance minimale est celle de la murette guide.. Développements : dispositifs de rectification des déviations en temps réel sur le KS : « KS2 ».

1.2.

La boue de perforation

La boue de perforation joue un rôle capital dans le procédé en maintenant la stabilité de la tranchée durant toute l'excavation, l'équipement et le bétonnage des panneaux. Cette boue se compose habituellement d'une suspension de bentonite dans l'eau Au cours de la perforation, la boue se charge de sédiments et perd en partie ses propriétés. Elle peut être partiellement réutilisée après un traitement mécanique de dessablage et de dessiltage. Malgré ce recyclage, une certaine quantité de boue est consommée et, par ailleurs, la boue polluée par le contact avec le ciment lors du bétonnage doit être directement évacuée. Afin de prévenir tout éboulement consécutif à une brusque perte de boue, il est indispensable d’avoir un stock de boue suffisant : au moins le volume correspondant à un panneau. Durant l'excavation, le niveau de la boue doit toujours être maintenu au moins 1 m au-dessus du niveau de nappe.

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1.3.

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Panneautage – principes généraux

La longueur minimale de chaque élément de tranchée ou panneau est commandée par les dimensions de l'outil d'excavation et correspond à la longueur hors tout de cet outil (1,80 m à 3,60 m selon type et largeur). La longueur maximale des panneaux est déterminée: - soit en fonction de la nature des terrains et des contraintes d'environnement de façon que la stabilité de la tranchée reste assurée en permanence, - soit si la condition précédente n'est pas restrictive, en fonction des sujétions d'exécution, notamment organisation du chantier, volume de béton à mettre en œuvre et cadences d'approvisionnement, poids des cages d'armatures à manipuler, géométrie des ouvrages. De façon pratique, la longueur de chaque panneau peut varier d'un minimum de l'ordre de 2 m jusqu'à un maximum qui dépasse rarement 8 à 10 m. On peut opérer par panneaux primaires et secondaires selon le principe de l'excavation alternée. Cette méthode impose de ménager à chaque extrémité des panneaux primaires un dispositif de joint sur lequel les panneaux secondaires viendront se refermer.

SCHEMA DE PRINCIPE D’EXECUTION PAR EXCAVATION ALTERNEE Outre les parois planes, on rencontre d’autres géométries, principalement : Les parois en Té. Les paroi circulaires.

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1.4.

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Joints entre panneaux

Le joint entre panneaux qui doit assurer la continuité de la paroi constitue un point délicat du procédé : il s'agit à cet endroit de garantir le bon alignement ainsi que le contact béton/béton des deux panneaux adjacents. On peut également dans des cas particuliers envisager d'équiper le joint d'une lame d'étanchéité. 1.4.1. Solution par tube-joint De façon classique, le joint était réalisé par l'intermédiaire d'un coffrage dont la section pouvait présenter des formes diverses destinées à obtenir un certain effet d'embrèvement et de guidage. La forme la plus simple et la plus utilisée était évidemment la section circulaire réalisée à l'aide d'un tube épais et rigide du diamètre de l'épaisseur de la paroi, donnant le système connu du tube-joint. Le coffrage, donc généralement le tube, est mis en place à l'extrémité du panneau excavé. Il est extrait comme un coffrage glissant à l'aide de vérins hydrauliques de forte puissance (jusqu'à 2000 kN) prenant appui sur les murettes-guides dès que le béton a atteint une rigidité suffisante mais avant sa prise complète qui viendrait sceller le coffrage à l'extrémité du panneau. On obtient ainsi une empreinte contre laquelle le panneau suivant sera excavé puis bétonné sans liaison effective ni structurelle ni d'étanchéité. Cette solution est encore utilisée, en particulier pour les parois circulaires de petit diamètre. Phases d'exécution d'une paroi moulée au tube-joint :

(doc. Solétanche Bachy)

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Solution par joint CWS

L'originalité du joint CWS ( brevet SOLETANCHE-BACHY) porte essentiellement sur le fait que le coffrage-joint est extrait par décoffrage latéral, après excavation du panneau adjacent et non pas comme dans la méthode du tube-joint par extraction d'un coffrage glissant avant excavation du panneau adjacent. . Phases d'exécution d'une paroi moulée avec joint CWS:

( doc. Solétanche Bachy) Le décoffrage latéral après excavation du panneau adjacent permet la présence pendant toute l'opération d'excavation d'un véritable rail scellé provisoirement dans le béton du panneau précédent, rail sur lequel peut venir se guider l'outil d'excavation. Le guidage de l'outil d'excavation sur ce rail garantit la parfaite continuité géométrique de la paroi ainsi que la qualité du joint entre panneaux. C'est encore le décoffrage latéral après excavation du panneau adjacent qui permet la mise en place dans le joint d'une barrière d'étanchéité complémentaire pouvant, au choix, être constituée d'une ou de plusieurs lames water-stop.

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1.5.

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Le ferraillage 1.5.1. cas courant

Le ferraillage d'une paroi est réalisé en éléments discontinus par armatures horizontales et verticales en acier HA ou lisse assemblées sous formes de cages comme représenté sur le schéma. Cage d’armature type :

(doc. Solétanche Bachy) On assure un enrobage de béton minimum de 7cm en centrant la cage dans la tranchée à l'aide de centreurs de préférence non métalliques, par exemple des écarteurs en béton en forme de patin.

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1.6. Le bétonnage Le béton de paroi est mis en place au tube plongeur et sans être vibré. Il doit s'écouler facilement pour suivre les contours de l'excavation et enrober correctement les aciers, tout en évitant les ségrégations et les inclusions de boue. Le bétonnage ne pourra se réaliser de façon satisfaisante que si la boue qui remplit l'excavation au début de l'opération possède des caractéristiques correctes. Une densité trop forte et une viscosité trop importante conduiraient à la formation de poches de boue à l'intérieur du panneau bétonné. Une teneur en sable élevée liée à une instabilité de la boue entraînerait quant à elle la présence de dépôts argilo-sableux sur les parois des panneaux ainsi qu'un défaut d'enrobage des armatures. BETONNAGE AU TUBE PLONGEUR COURBE DE BETONNAGE

1er béton

(schémas extraits du DTU13.2)

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2.

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LES PAROIS PREFABRIQUEES 2.1.

Principe

La paroi préfabriquée est un développement logique de la paroi moulée qui apporte des améliorations intéressantes sur les plans du fini de l'ouvrage, de l'économie en matériaux et du niveau de nuisances pour l'environnement urbain. Il s'agit toujours de constituer, préalablement au terrassement en grand d'une excavation, son dispositif de soutènement. Mais au lieu de couler en place du béton dans une tranchée, on pose dans cette tranchée des éléments qui ont été préfabriqués sur site ou en atelier. Ces éléments sont généralement en béton armé ou précontraint mais tout autre matériau de construction peut être envisagé. lis peuvent se prêter en forme et en dimensions à toutes les exigences d'un projet dans la seule limite des capacités des engins de levage et de manutention.

(doc. Solétanche Bachy) 2.2. Avantages principaux - adaptation plus précise des éléments préfabriqués à la structure de l'ouvrage à réaliser, - utilisation possible de bétons à plus haute performance mis en œuvre dans les meilleures conditions, - suppression des sujétions dues au bétonnage notamment des aléas du trafic urbain dans le cas d'utilisation de béton prêt à l'emploi, - suppression du recépage et du ragréage, opérations produisant souvent des niveaux sonores pénibles pour l'environnement, - possibilité de résoudre plus économiquement les problèmes de mise hors d'eau en milieu très aquifère en prolongeant la paroi préfabriquée par un écran au coulis se refermant sur un substratum étanche.

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2.3. Limites et exigences - Les possibilités courantes des engins utilisés sur chantier qui permettent de manutentionner des éléments d'au plus une quarantaine de tonnes. Si on veut malgré tout des éléments de largeur acceptable pour ne pas multiplier les tirants ou butons, on est conduit à ne pas dépasser des excavations d'une quinzaine de mètres. Cependant, l'utilisation des panneaux de la centaine de tonnes ne poserait aucun problème technologique. Il ne s'agit que de questions de coût et de disponibilité d'engins de cette puissance qui ne pourraient se justifier que pour un chantier de taille exceptionnelle. - La préfabrication qui peut, en principe, avoir lieu en usine ou sur chantier. Cette dernière solution est souvent préférable mais elle exige la disposition d'aires de travail suffisamment vastes pour fabriquer et surtout stocker les éléments qui ne peuvent être mis en place immédiatement après leur préfabrication. - La résistance du coulis d'excavation et d'enrobage qui, lorsque les parois sont porteuses, peut ne pas être suffisante. On plafonne à des contraintes admissibles en compression de l'ordre de 1,5 MPa. En cas de contraintes plus élevées, il faut alors, sous l'élément préfabriqué, remplacer la fiche en coulis par un béton coulé en place, ce qui n'est pas toujours facile ni économique. 2.4. Pose des panneaux Les panneaux sont posés en successif en se guidant par rapport au panneau précédent, soit à l'aide d'un profilé de guidage extrait en fin d'opération, soit directement sur l'élément déjà posé dont l'extrémité présente un profil spécial (serrure, embrèvement par tenon-mortaise ... ). 1. Levage du panneau n à l'aide de crochets élingués sur un palonnier spécial, 2. Descente du panneau préfabriqué dans l'excavation remplie de coulis jusqu'à ce que sa tête affleure les murettes-guides, 3-Mise en place du joint water-stop assurant la jonction panneau n-1 panneau n : 4. Calage du panneau par l'intermédiaire de fourchettes s'appuyant sur les murettes-guides et supportant les barres de réglage,

( doc. Solétanche Bachy) Les suspentes restent en place jusqu’à ce que le coulis ait durci et scellé les éléments au terrain

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3.

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TIRANTS D’ANCRAGE 3.1. Remarque préliminaire : réglementation Actuellement 2 textes coexistent en France :

TA95 : Recommandations concernant la conception, le calcul, l’exécution et le contrôle des tirants d’ancrage ; => utilisées dans la majorité des cas. Norme française et européenne :NF EN 1537 Exécution des travaux géotechniques spéciaux – TIRANTS D’ANCRAGE ; son emploi se généralise. 3.2. Définitions – Terminologie Nous reproduisons ici les définitions de la Norme NFEN1537 : Un tirant d’ancrage est un« dispositif d’ancrage capable de transmettre les forces de traction qui lui sont appliquées à une couche de terrain résistante » Il est composé : D’une tête d’ancrage : « partie du tirant d’ancrage qui transmet les forces de traction de l’armature à la plaque d’appui ou à la structure » D’une partie scellée : « longueur théorique du tirant d’ancrage sur laquelle la force de traction est transmise au terrain environnant, par l’intermédiaire du coulis de scellement ». Il s'agit de mobiliser un frottement dans un terrain donné. Dans un rocher l'effort se transmet de l'armature au terrain par la formation de bielles de compression. Dans le cas d'un sol caractérisé par (φ,C), le frottement latéral mobilisable augmente avec la contrainte normale à l'interface scellement/terrain. Cette contrainte normale est fonction de : - la contrainte initiale, - - la compacité du sol par le phénomène de dilatance.

D’une partie libre :partie « comprise entre le point de fixation de l’armature sur la tête d’ancrage et le début de la partie scellée ». La longueur libre :est choisie en fonction de trois critères principaux : la position de la couche d'ancrage, la longueur minimum permettant le blocage à la traction désirée compte tenu des pertes mécaniques, la stabilité d'ensemble du massif sollicité (ex. : Méthode de Kranz ou TA.95).

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( schéma extrait de NFEN1537). 3.3. Tirants actifs / tirants passifs Les tirants passifs ne sont mis en traction que du fait de l’application à l’ouvrage des actions qui le sollicitent. Ces tirants ne comportent en général pas de partie libre : la longueur scellée suit immédiatement la tête d’ancrage. Les tirant précontraints sont mis en charge préalablement à l’application des actions afin de limiter les déformations. La valeur de la précontrainte est issue du calcul de sollicitations de l’écran, et dépend de la traction « de service » du tirant.

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3.4.

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Matériaux 3.4.1.

Armatures

Le plus souvent, les tirants sont constitués de torons à haute limite élastique Caractéristiques d’un toron : φ nominal Classe (MPa) Tr (KN) Tp (KN) Section (mm2)

T 15.7 1860 276 248 150

Les contraintes élevées subies par les armatures entraînent des risques de corrosion fissurante. Une réduction de section d’acier sacrifiée à la corrosion, comme cela est recommandé pour les aciers ordinaires, ne suffit pas. Cela implique : - une protection de l’armature - une limitation des contraintes de l’acier. 3.4.2. Ciment - La qualité et la pérennité du scellement dépendent de l’agressivité du terrain vis-à-vis du ciment. - La qualité et la pérennité de l’armature dépendent de l’agressivité du ciment vis-à-vis de l’acier. 3.5.

Technologie

La mise en œuvre d'un tirant se déroule en plusieurs phases : - Réalisation d'un forage, diamètre compris entre 100 et 200 mm, toutes inclinaisons a priori envisageables, au moyen d'un outillage et d'un fluide de perforation adaptés au terrain. - Après nettoyage du forage, substitution du fluide de forage par un produit de scellement, généralement un coulis de ciment fortement dosé. - Mise en place de l'armature (barre, torons...). La mise en place se fait avec une grue, un dérouleur, voire à bras d'hommes. - Après prise, le scellement peut être injecté sous pression avec un coulis de ciment. Divers systèmes coexistent pour conduire cette injection en fonction du terrain et de l'entreprise. Les procédés les plus courants sont ceux utilisant un tube à manchettes ou des flexibles (un emploi) disposés le long du scellement. -

Après un délai de 1 à 7 jours suivant le type de terrain et le produit de scellement utilisé, mise en précontrainte avec un vérin et cachetage éventuel de la tête d'ancrage par un capot.

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Machine de perforation Fluide de perforation >1m

Alimentation du fluide de perforation

Tiges

Outil de perforation

3.6.

Tirants à caractère provisoire/permanent – les différents type de protection

Protection contre la corrosion TA.95

NF EN.1537

Relié au temps et à milieu l'agressivité du Durée ambiance

d'utilisation

/

Moins de 9 mois

Non agressive

P0

Moyennement agressive

P1

Agressive

P2

de 9 mois à La protection de base est 18 mois similaire à P0 et évolutive avec l'agressivité, la durée de vie P1 peut être de plus de 2 ans si P2 prévu à l'origine P2

(se reporter au TA.95 chap.4)

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3.6.1. Tirants permanents Définition Selon les recommandations TA.95, un tirant permanent a une durée de vie supérieure à dix-huit mois et, suivant la norme NF EN.1537, une durée de vie supérieure à deux ans. Protection L'armature des tirants permanents doit être protégée contre la corrosion de l'acier dont le risque augmente avec les contraintes en service. Ces mesures portent sur les trois parties du tirant ; la protection doit être continue sur l'ensemble du tirant. Au sens du TA.95, la protection doit être du niveau P2. - Zone d'ancrage : L'armature est scellée dans une gaine annelée plastique ou un tube métal. - Partie libre : Gaine plastique ou tube métal et produit de remplissage souple entourant l'armature (ex:graisse, cire...). Tête : Capot de protection plastique ou métal et produit de remplissage généralement identique à celui de la partie libre.

Tirant de longue durée TMM Solétanche Bachy Taux de travail des aciers Suivant TA.95, section > 1,67xTraction de service / Contrainte élastique acier. Suivant NF EN 1537, section > 1,54xTraction de service / Contrainte de rupture acier

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3.6.2. Tirants provisoires Définition Selon les recommandations TA.95, un tirant provisoire a une durée de vie maximale de dix-huit mois et, suivant la norme NF EN.1537, une durée de vie inférieure à deux ans. Le TA.95 autorise une prolongation de deux mois sous conditions, la norme ne prévoit pas d'extension mais admet qu'un tirant puisse être provisoire pendant plus de 2 ans si cela est prévu au projet. Protection L'armature des tirants provisoires ne doit être protégée contre la corrosion de l'acier que dans certains cas en relation avec leur durée de vie et l'agressivité du milieu. Ces mesures portent sur les trois parties du tirant ; la protection, lorsqu'elle existe, doit être continue sur l'ensemble du tirant : Ex : Protection P0 • Zone d'ancrage : Le coulis de scellement assure la protection. • Partie libre : Gaine plastique entourant l'ensemble des armatures ou chacune d'elles. • Tête : Pas de protection particulière

Tirant provisoire ECO de Solétanche Bachy Taux de travail des aciers Suivant TA.95, section > 1,33 x Traction de service / Contrainte élastique acier Suivant NF EN 1537, section > 1,54 x Traction de service / Contrainte de rupture d'acier

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3.7.

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Essais

On distingue trois grandes catégories d'essais : 1. De dimensionnement : Essai à la rupture pour déterminer la capacité d'ancrage du sol 2. De convenance : Essai à la rupture pour vérifier une capacité d'ancrage 3. 3. De réception (+ contrôle) : Chaque tirant est essayé à 1,15 x Traction de service L'exécution des essais de tirants est l'objet de la norme : NF-EN - 94153 et son interprétation est faite suivant les règles TA.95

4.

REGLEMENTATION Fascicule 68 Exécution des travaux de fondation des ouvrages de génie civil CCTG – Travaux Fascicule 62 Titre V Règles techniques de conception et de calcul des fondations des ouvrages de génie

civil DTU 13.2 : fondations profondes pour le bâtiment Norme française et européenne :NF EN 1537 Exécution des travaux géotechniques spéciaux – TIRANTS D’ANCRAGE Norme française et européenne :NF EN 1538 Exécution des travaux géotechniques spéciaux - PAROIS MOULEES Recommandations TA95 5.

quelques références bibliographiques, internet G.-Y.FENOUX, J.MATHIVAT :« Procédés généraux de construction-tome 2 : fondations et ouvrages d’art » - Eyrolles 1983 ; G-Y FENOUX - J.L. PORTIER : La mise en précontrainte des tirants - revue Travaux 449-450 ; G.FILLIAT : « La pratique des sols & fondations » Ed. du Moniteur 1981 ; J.-C.GESSAY, H.SELLAMI : « Fraise nouvelle génération » – Revue française de Génie Civil n°6-2002 M.GUILLAUD : « Innovations en matière d’outillages de parois moulées » - revue Travaux n°753 mai 1999, p. 70-73 ; D.GRAUX : Fondations et excavations profondes , Editions Eyrolles 1967 ; G.PHILIPPONNAT : Fondations & ouvrages en terre, Editions Eyrolles, 1998 ; P.XANTHAKOS : « Slurry walls » – Mc Graw-Hill Book company –1979. www.SOLETANCHE-BACHY.com www.SOLEXPERT.com www.geotechnique.org