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Ouvrages d’art et ouvrages hydrauliques
Cette liaison autoroutière comprend la construction de:
Six (06) échangeurs de différents types au niveau de : Sud de Thiès, Thiès, Khombole, Bambey, Diourbel et Touba ;
Dix-neuf (19) Passages Supérieurs (PS) sur Route Nationale, Routes Départementales et pistes importantes, dont quatre (4) PS au niveau d’échangeurs ;
Neuf (09) Passages Inférieurs (PI), dont deux au niveau des échangeurs de début et de fin et cinq (05) PI en Portiques Ouvert au niveau de pistes à aménager ;
Trois (03) Passages Supérieurs Piétons (PSP) ;
Vingt et Deux (22) Passages (P) pour trafic non motorisés, notamment bétail et trafic agricole, jouant un rôle des ouvrages hydrauliques ;
Cent Trente et Quatre (134) Ouvrages Hydrauliques (OH) en béton armé pour l’ensemble du tracé, dont Cent cinq (105) OH sont sur l’axe principal et Vingt et Un (21) OH sont sur les échangeurs et Huit (8) OH sur la zone de service et de péage.
Une aire de service et de repos par sens de circulation ;
Des aires de péage pour une exploitation en système fermé, comprenant deux barrières à pleine-voie et quatre gares de péage au niveau des diffuseurs.
Profil en travers
Les caractéristiques géométriques du profil en travers type en section courante sont :
Largeur de la chaussée : 2 x 3,50 m par sens ;
Largeur TPC : 2,60 m dont BDG de 1,00 m de chaque côté ;
Largeur BAU: 3,00 m par sens;
Largeur berme: 1,00 m de chaque côté ;
Pente transversale revêtement : 2,50 % ;
Pente berme : 8,00%.
Soit une largeur totale de la plateforme de 24,60 m, évoluant dans une emprise autoroutière de largeur 100 m.
Présentation du contexte géologique de la zone du projet
La zone du projet se situe dans la partie centrale du bassin sédimentaire sénégalo-mauritanien avec des formations géologiques d’âge Secondaire, Tertiaire et Quaternaire.
Ces dépôts sédimentaires reposent sur un substratum formé de roches anciennes plissées et métamorphisées affleurant en bordure du bassin dans l’Est et le Sud-Est du pays.
Présentation du bassin sédimentaire sénégalo-mauritanien
Le bassin sédimentaire Sénégalo-mauritanien occupe la plus grande partie du territoire sénégalais, son évolution géologique est marquée par plusieurs étapes :
En effet, durant l’ère Secondaire, les mouvements eustatiques avec les phases de transgressions et de régressions marines ont entrainé des dépôts de sédiments argileux et des sables argileux rouges dans le bassin.
Selon Deschamps (1979), au Crétacé Supérieur, la mer progresse vers la partie Est du bassin sédimentaire et recouvre les régions centrales du Sénégal au Cénomanien et au Maastrichtien. Ensuite, le Tertiaire surmontant le Secondaire avec des apports de sédiments du Paléocène et de l’Eocène inférieur et moyen qui recouvrent l’ensemble du bassin.
Le Paléocène est marqué par une sédimentation marno-calcaire en concordance sur le Maastrichtien dans tout le bassin sédimentaire sauf dans la zone du massif de Diass.
A l’Eocène inferieur, la mer atteint son maximum d’extension sur l’ensemble du bassin sédimentaire avec des dépôts marneux et argileux sauf à l’extrême sommet et à la base de la série (Bellion, 1987). Il s’agit de roches marneuses qui se sont déposées dans la zone comme l’atteste les travaux de Tessier (1952) à propos de la succession lithologique dans l’échelle biostratigraphique. L’Eocène moyen ou le Lutétien a fait l’objet de nombreux travaux (Tessier, 1952 ; Noel, 1975 et 1978) dont les résultats ont montré l’importance des faciès argilo-marneux, organogeniques, mais également des sables phosphatés et des grès calcaires.
Le bassin sédimentaire évoluera en régime purement continental après l’Eocène Supérieur et surtout après la dernière transgression du Miocène. Pour Faye (1995), les formations marines gréso-argileuses du Miocène sont par la suite profondément altérées par la percolation des eaux souterraines lors d’une phase d’abaissement du niveau marin. Ce faciès d’altération appelé Continental Terminal (Tessier et al, 1975) implique des conditions climatiques tropicales humides de même que la formation de cuirasses latéritiques au Pliocène.
Au Quaternaire, le bassin sédimentaire est surtout marqué par des dépôts sableux et sablo-argileux d’origine marine ou continentale (Ndiaye, 2016).
Définition et caractéristiques des pieux
Un pieu est une fondation élancée qui reporte les charges de la structure sur des couches de terrain de caractéristiques mécaniques suffisantes (bon sol). Il permet d’éviter la rupture du sol et de limiter les déplacements à des valeurs très faibles par rapport à des charges élevées. Les pieux transmettent les charges non seulement par leur base (effort de pointe) mais aussi et surtout par leurs parois latérales (effort de frottement latéral). Le mot pieu désigne aussi bien les pieux, les puits et les barrettes.
On désigne par pieu, une fondation profonde réalisée mécaniquement et par puits une fondation profonde creusée à la main sous la protection d’un blindage. Une barrette est un pieu foré de section allongée ou composite (en T ou en croix par exemple) (Plumelle, 2005).
Un pieu comprend principalement trois parties à savoir:
la tête qui reçoit directement les charges de la superstructure de l’ouvrage par l’intermédiaire parfois d’une semelle de répartition ;
la pointe qui assure la transmission de charges entre la base du pieu et le sol d’assise ;
et le fût compris entre la tête et la pointe qui est le siège de la transmission des efforts latéraux.
On définit également la longueur d’ancrage h qui est la longueur de pénétration du pieu dans les couches de terrains résistants et le diamètre B du pieu ou sa plus petite dimension dans le plan horizontal.
D’un point de vue mécanique, on distingue la longueur D du pieu de la hauteur d’encastrement équivalente De définie à partir des résultats des essais de sols en place.
Cette valeur de De tient compte de la différence entre les caractéristiques mécaniques de la couche d’ancrage et celles des sols de couverture traversés par le pieu (Figure 5) (Sarr et Sarr, 2007).
Le principe de fonctionnement des pieux est celui de l’action-réaction. Pour que le système sol-pieu soit en équilibre, il faut que la force de réaction du sol de fondation R soit supérieure ou égale à la force P transmise par le pieu et les charges qu’il supporte (Figure 6).
On voit donc bien que le pieu doit non seulement résister à la charge issue de la superstructure que l’on note P mais doit aussi reprendre la réaction du sol de fondation que l’on note R.
Cas d’un pieu isolé
Un pieu transmet au sol les charges qu’il supporte:
par l’appui de sa base sur le sol résistant (effort de pointe noté QP) ;
par le frottement latéral entre le sol et le pieu (effort de frottement latéral noté QS) ;
ou par la combinaison des efforts de pointe et de frottement latérale (c’est le cas le plus courant) (Kassoul, 2016).
Effort de pointe
Lorsque la pointe du pieu est bien ancrée dans le substratum résistant, les déplacements sont presque nuls et le frottement latéral presque inexistant, le pieu travail donc sous l’effet de la résistance de pointe. Cet effort de pointe noté QP est proportionnel à la section de la base du pieu et à la résistance du substratum (Figure 7).
Effort de frottement latéral
Lorsqu’il n’existe pas de couche de terrain assez résistante pour assurer l’effort de pointe, le pieu travaille sous la seule action du frottement latéral. On parle alors de pieu flottant (Figure 7). L’effort de frottement latéral noté QS est proportionnel à la surface de contact entre le pieu et le sol et au coefficient de frottement pieu-sol (rugosité du pieu, pression latérale, coefficient de frottement interne du sol).
Ce frottement latéral n’est mobilisable que s’il y a déplacement relatif entre le pieu et le sol.
Si le pieu a tendance à s’enfoncer dans un sol stable, le sol en s’opposant au déplacement du pieu exercera un frottement latéral positif fp, vers le haut qui participe à la résistance du pieu. On dit que le pieu tasse plus que le sol et c’est le cas le plus courant. Si au contraire, le pieu étant immobile, le sol a tendance à tasser (terrain médiocre qui tasse (ss) sous des surcharges appliquées au niveau de la surface du sol), le sol en tassant entraîne le pieu vers le bas et lui applique un frottement négatif fnqui le surcharge plutôt que de le soutenir.
La force portante est réduite, on dit que le sol tasse plus que le pieu.
Pour un même pieu on pourra avoir la partie supérieure soumise à un frottement négatif et la partie inférieure à un frottement positif. Le point neutre est le point pour lequel le déplacement du pieu est égal à celui du sol (Figure 8).
Pour remédier à ce problème de frottement négatif (couches compressibles, remblais récents non stabilisés), il est nécessaire de désolidariser le fût du pieu du terrain exerçant ce frottement négatif à l’aide d’une chemise. Le chemisage se fait par gainage du pieu et intercalation d’un revêtement bitumineux pour laisser glisser la chemise par rapport au pieu afin de diminuer l’effet du frottement négatif (Figure 9).
Cas de groupements de pieux
Les pieux peuvent être groupés sous une même charge lorsque la force portante d’un seul pieu est insuffisante. Lorsque les pieux sont suffisamment rapprochés, il ne suffit pas de vérifier la résistance d’un pieu isolé. En effet, il arrive que la charge limite d’un groupe de pieux Qgu soit inférieure à la somme des charges limites de chaque pieu isolé Qui.
Le coefficient d’efficacité du groupe de pieu se définit comme suit: Ce = ∑
La diffusion des contraintes en profondeur sous un groupe de pieux est différente de celle sous un pieu isolé. Il y’a en effet, interférence des contraintes induites par chaque pieu et il se produit un effet radier. Cela a pour conséquence de transmettre les contraintes en profondeur bien au delà de celles générées par un pieu isolé (Figure 10) (Kassoul, 2016).
Classification des pieux
En fonction de leur mode de réalisation, on distingue principalement deux grands groupes de pieux: les pieux dont la mise en place provoque un refoulement du sol avec la naissance de contraintes de cisaillement radial et les pieux dont l’exécution se fait après extraction du sol du forage et qui, de ce fait, ne provoque pas le refoulement du sol. Dans ces deux groupes, il existe plusieurs types qui différent par leur mode d’exécution, leur forme et leur matériau (Sarr et Sarr, 2007).
Pieux avec refoulement de sol
Leur mise en place se fait par vérinage, battage ou vibro-fonçage. Ils repoussent le sol et le compriment ; ce qui génère un bon frottement latéral.
Pieux battus simples :
Ces pieux façonnés à l’avance sont souvent soit en métal sous forme de tube ou en forme de H, soit préfabriqués en béton armé. Ils sont mis en place par battage ou par vibration. Le mode de battage des pieux (verticaux ou inclinés) s’effectue à l’aide d’une sonnette soit sur terre ferme soit sur ponton flottant sur l’eau. Pendant le battage, la tête des pieux préfabriqués est protégée d’une coiffe métallique avec intercalation d’une pièce en bois dur.
Pieux battus moulés :
Ce sont des pieux à tubes battus exécutés sur place. L’exécution consiste d’abord à battre un tube muni à sa base d’une plaque métallique dans le sol, à mettre, si nécessaire, en place la cage d’armature, puis à remplir le tube de béton pendant son extraction.
Pieux en béton foncé :
Ils sont constitués d’éléments en béton armé préfabriqué. Les éléments sont foncés dans le sol
à l’aide d’un vérin qui prend appui sous un massif de réaction. Le point d’appui doit pouvoir fournir une réaction au moins égale à la force du vérin, et le système de calage du vérin doit éviter de communiquer des efforts horizontaux aux pieux.
Pieux sans refoulement de sol
Leur mise en place se fait par substitution. Ce qui a pour effet de remanier le sol et de le décomprimer. Le frottement latéral est donc diminué, sauf pour certains types de mise en œuvre (pieux exécutés à la tarière creuse, ou vissés moulés)
Pieux forés simples :
La mise en œuvre se fait à partir d’un forage exécuté dans le sol par des moyens mécaniques tels que la tarière, la benne etc.
Ce procédé qui n’utilise pas le soutènement des parois ne s’applique dans les sols cohérents et situés au-dessus des nappes phréatiques.
Pieux forés à la boue :
La mise en œuvre se fait à partir d’un forage exécuté dans le sol par des moyens mécaniques tels que la tarière, la benne sous protection des parois par une boue de forage.
Le forage est rempli de béton en grande ouvrabilité sous la boue en utilisant une colonne de bétonnage.
Pieux forés tubés :
La mise en œuvre se fait à partir d’un forage exécuté dans le sol par des moyens mécaniques tels que la tarière, la benne sous protection des parois par un tubage dont la base est toujours située au fond du forage.
Pieux forés à la tarière creuse :
Leur mise en œuvre s’effectue avec une tarière à axe creux, d’une longueur totale égale au moins à la profondeur des pieux à exécuter, vissée dans le sol sans extraction notable de terrain. La tarière est extraite du sol sans tourner pendant que, simultanément du béton est injecté dans l’axe creux de la tarière, prenant du sol extrait. Cette classification des pieux est représentée par la figure11
Les principes de dimensionnement des pieux
Le dimensionnement des pieux consiste à déterminer leurs caractéristiques en fonction des sollicitations pour assurer une bonne stabilité des ouvrages.
Il se fait par une étude de sols pour vérifier leur capacité à supporter les charges et une détermination des paramètres des pieux. Ces derniers doivent être conçus pour non seulement résister aux sollicitations dues à l’ouvrage qu’ils portent mais aussi les transmettre au sol de manière à garantir l’équilibre sol-ouvrage.
Le dimensionnement des pieux se réalise à partir des essais de laboratoires, de l’essai pénétrométrique ou de l’essai pressiométrique.
Actuellement, la méthode pressiométrique est la plus utilisée car elle donne des résultats plus fiables quelque soit le type de sol.
Etudes de sols
La reconnaissance d’un sol se fait toujours par une étude géologique et géotechnique. L’étude géologique donne des renseignements sur la répartition spatiale des différentes catégories de terrains (nature et épaisseur des couches, inclinaison, stratification,..), sans oublier la présence éventuelle d’eau. Cette étude fournit des renseignements nécessaires mais pas suffisants et qui doivent être complétés par une étude géotechnique, fournissant des renseignements quantitatifs sur leurs caractéristiques mécaniques et physiques.
Etudes géologiques
Dans la nature, il est rare d’avoir une seule couche de sol sous l’ouvrage mais au contraire plusieurs strates de natures et de caractéristiques différentes.
La reconnaissance des sols fait l’objet de sondages carottés au niveau du site de fondations. Ces sondages permettent d’établir des logs stratigraphiques qui donnent des renseignements sur la nature, l’épaisseur et la position des différentes couches de sols rencontrées, ainsi que la présence et le niveau de la nappe phréatique.
La profondeur d’ancrage de l’ouvrage est déterminée en fonction de la profondeur du bon sol qui dépend de la capacité portante.
Etudes géotechniques
Les études géotechniques ont porté essentiellement sur la caractérisation mécanique des sols supports à partir des essais pressiométriques, pénétrométriques et des essais de laboratoire. [21]
Ces essais de reconnaissance de sol permettent de connaître son comportement mécanique lorsqu’il est soumis à un chargement.
Deux éléments importants sont à considérer pour le sol: la capacité portante et le tassement. On doit, dans un premier temps, déterminer la capacité portante du sol, c’est-à-dire s’assurer que les couches du sol support sont en mesure de supporter les charges transmises par la fondation. On vérifiera ensuite que le tassement du sol qui est sa déformation verticale à la surface reste dans les limites admissibles.
Détermination de la contrainte du sol sous une fondation
Le dimensionnement des fondations des ouvrage commence toujours par le calcul des charges de toute nature qui, s’additionnant constituent la charge totale à répartir sur la couche de fondation. Cette opération est appelée descentes de charges.
On distingue trois catégories parmi ces charges :
Les charges permanentes constituées par le poids propre de l’ouvrage ;
Les surcharges ou charges d’exploitation, qui ne sont pas permanentes et peuvent influencer seulement certaines parties de la construction (par exemple, le poids de la foule dans un magasin ou une salle de spectacle, du matériel stocké dans un entrepôt, des machines sur les planchers d’une usine, des convois routiers ou ferroviaires sur un pont).
Les surcharges climatiques, qui sont variables suivant les régions (neige, composante verticale du vent).
La charge Q appliquée à la fondation, résultant de la descente de charge aux états limites, doit rester inférieure à la force portante admissible Qad du sol de fondation. Q = ≤ Qad sol
Avec : P : charge pondérée issue de la descente de charges (MN) ;
S : surface d’impact de l’organe de fondation (m2) ;
Q = : Contrainte du sol sous la fondation (MN/m2);
Qad sol: capacité portante ou contrainte admissible du sol sous la fondation (MN/m2).
Paramètres de dimensionnement des pieux
Détermination de la charge limite d’un pieu
Considérons un pieu isolé soumis à une charge verticale. Le pieu traverse différentes couches de sol de qualité plus ou moins bonnes pour s’ancrer dans une couche de sol aux caractéristiques mécaniques favorables.
Cette couche de sol s’appelle couche d’ancrage ou substratum résistant ou encore bon sol. La charge limite Qu d’un pieu soumis à des sollicitations verticales est définie comme étant la charge maximale qu’il peut supporter sans se rompre.
D’après le fascicule 62, titre V, la charge limite Qu d’un pieu est obtenue en additionnant la charge limite de pointe Qpu qui correspond à la force limite supportée en résistance de pointe et la charge limite Qsu mobilisable par le frottement latéral entre le sol et le fût du pieu (Figure 12). Qu = Qpu + Qsu.
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Table des matières
INTRODUCTION ET PROBLEMATIQUE
CHAPITRE 1 : PRESENTATION DU PROJET ET DU CONTEXTE GEOLOGIQUE DE LA ZONE
1.1. PRESENTATION DU PROJET
1.1.1. Description
1.1.2. Financement
1.1.3. Les acteurs du projet de l’autoroute
1.1.4. Linéaire
1.1.5. Ouvrages d’art et ouvrages hydrauliques
1.1.6. Profil en travers
1.2. Présentation du contexte géologique de la zone du projet
1.2.1. Présentation du bassin sédimentaire sénégalo-mauritanien
1.2.2. Contexte géologique et hydrogéologique de la zone du projet
1.2.3. Le phénomène de karstification
CHAPITRE 2 : GENERALITES SUR LES PIEUX
2.1. Définition et caractéristiques des pieux
2.2. Principe de fonctionnement mécanique
2.2.1. Cas d’un pieu isolé
2.2.1.1. Effort de pointe
2.2.1.2. Effort de frottement latéral
2.2.2. Cas de groupements de pieux
2.3. Classification des pieux
2.3.1. Pieux avec refoulement de sol
2.3.2. Pieux sans refoulement de sol
2.4. Les principes de dimensionnement des pieux
2.4.1. Etudes de sols
2.4.1.1. Etudes géologiques
2.4.1.2. Etudes géotechniques
2.4.2. Détermination de la contrainte du sol sous une fondation
2.4.3. Paramètres de dimensionnement des pieux
2.4.3.1. Détermination de la charge limite d’un pieu
2.4.3.2. Calcul de la charge admissible Qad d’un pieu
2.4.3.2.1. Détermination des charges admissibles sous différentes sollicitations
2.4.3.2.2. Détermination de la contrainte admissible par les formules de battage
2.4.3.2.2.1. Formule des Hollandais
2.4.3.2.2.2. Formule de Crandall
2.4.3.3. Calcul du tassement
CHAPITRE 3 : ETUDE DE CAS : REALISATION DES PIEUX POUR LA CONSTRUCTION DU PASSAGE SUPERIEUR N°4 DE L’AUTOROUTE ILA TOUBA
3.1. PRESENTATION DES OUVRAGES D’ART DU PROJET
3.1.1. Définitions
3.1.2. Nature des ouvrages d’art de l’autoroute
3.1.3. Présentation du Passage Supérieur N°4 (PS4)
3.2. EXPLOITATION DES RAPPORTS GEOTECHNIQUES ET GEOPHYSIQUES POUR LA CONSTRUCTION DU PS4
3.2.1. Etudes géotechniques
3.2.1.1. Synthèse des sondages carottés (Annexe 1)
3.2.1.2. Synthèse des sondages pressiométriques (Annexe 2)
3.2.2. Etudes géophysiques par tomographie électrique
3.3. VERIFICATION DES FONDATIONS PAR PIEUX
3.3.1. Vérification des fondations par pieux à l’absence de cavités
3.3.2. Vérification des fondations par pieux en présence de cavités
3.4. INFLUENCE DES CAVITES SUR LES FONDATIONS
3.4.1. Modélisation d’un pieu à l’absence de « karsts »
3.4.2. Modélisation d’un pieu en présence de « karsts »
3.5. TRAITEMENT DES CAVITES KARSTIQUES PAR FORAGE-INJECTION DE COULIS BENTONITE-CIMENT
3.5.1. Implantation et réalisation des forages
3.5.1.1. Implantation
3.5.1.2. Réalisation des forages (Annexe A-4-1)
3.5.2. Matériels de fabrication (Annexe A-4-2) et d’injection du coulis (Annexe A-4-3)
3.5.3. Composition et caractéristiques du coulis
3.5.3.1. Composition du coulis (Annexe A-4-4)
3.5.3.2. Caractéristiques du coulis
3.5.4. Procédure d’exécution des injections de coulis
3.6. Inconvénients d’une injection de comblement
3.7. Mode de réalisation des pieux forés à la boue
3.7.1. Forage des pieux (Annexe A-4-6)
3.7.2. Mise en place de la cage d’armature (Annexe A-4-6)
3.7.3. Bétonnage (de bas en haut) (Annexe A-4-7)
3.7.4. Contrôle après réalisation : Auscultation sonique
3.7.5. Recépage de la tête de pieu (Annexe A-4-7)
3.7.6. Semelle de liaison (Annexe A-4-6)
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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