Soutenance mémoire
Les méthodes et techniques de Soil-Mixing
De manière générale, le Soil-Mixing consiste à mélanger mécaniquement de quelque manière que ce soit le sol en place avec un liant hydraulique à l’aide d’un outil (Porbaha et al. 2000; Terashi 2003; Larsson 2005; Gerressen et al. 2009). Les premières traces de stabilisation des sols par ajout de liant hydraulique datent d’environ 250 avant J-C pour la construction de la « Grande muraille » de Chine où le sol était compacté avec de la chaux. Mais c’est seulement à partir de la seconde moitié du 20ième siècle que les pays scandinaves et le Japon ont débuté des recherches sur le traitement des sols mous (Holm 2000).
Ses avantages, lorsqu’on la compare aux méthodes dites traditionnelles, sont nombreux. C’est une méthode :
– Economique
En effet, sa mise en œuvre ne requiert pas de mise en décharge (Robert et al. 1994), et donc moins de transport.
– Ecologique
Pour les mêmes raisons, c’est une méthode qui respecte l’environnement, en limitant les transports de sols excavés et les mises en décharge. De plus, elle s’inscrit dans la mouvance actuelle de développement durable, en valorisant le terrain en place ainsi que des sous produits de l’industrie (qui sont intégrés dans la composition des liants) (Ahnberg et al. 2003; Ahnberg et al. 2005; Bujulu et al. 2009; Jegandan et al. 2010).
– Polyvalente
Le Soil-Mixing peut être utilisé pour de multiples types de projets. On peut citer l’usage du Soil-Mixing pour : la stabilisation des pentes, l’amélioration de sol, la réalisation de parois étanches, le confinement de zones polluées (par inertage en masse ou par réalisation de parois) (Figure 2a), la réalisation de soutènements et de fondations (provisoires ou définitifs) (Figure 2b).
On retrouve aussi cette polyvalence en ce qui concerne les machines Soil-Mixing qui pourront pour la plupart permettre à l’entreprise de réaliser les travaux que nous venons de citer, en faisant uniquement varier le dosage en ciment.
Il existe différentes méthodes de Soil-Mixing, et au cœur de ces méthodes, on observe aussi de nombreuses techniques plus ou moins adaptées selon la finalité du projet (Porbaha et al. 2000). L’amélioration de sol par ajout de liant peut être, de façon générale, divisée entre le SoilMixing dit « de surface » et le Soil-Mixing dit « profond ».
Soil-Mixing de surface
Le Soil-Mixing de surface (Shallow Soil-Mixing), qui consiste en la réalisation de couche de forme pour les routes et les aéroports, s’effectue normalement à teneur en eau faible, proche de l’optimum Proctor, pour faciliter le compactage par les engins de terrassements (SETRALCPC 2000). Le liant le plus souvent utilisé est la chaux ou un mélange de chaux et liants hydrauliques tel que les laitiers ou les cendres volantes (SETRA-LCPC 1983), qui en s’hydratant provoque la floculation des particules d’argile et diminue la plasticité du sol. Nous ne nous intéresserons pas à ces techniques.
Soil-Mixing profond
Le Soil-Mixing profond (Deep Soil-Mixing) est au contraire une méthode qui n’implique aucun compactage après réalisation : le matériau est supposé autoplaçant. Elle nécessite donc la plupart du temps une grande quantité d’eau pour atteindre la fluidité nécessaire à l’obtention de la qualité autoplaçante du mélange sol – ciment. (Bergado et al. 2005) affirme qu’il faut que la teneur en eau finale du mélange soit au moins égale à la limite de liquidité wL du sol vierge. Deux cas de figures se présentent donc, une classification des méthodes de Soil-Mixing selon (Topolnicki 2004) : soit la teneur en eau naturelle du sol wnat est supérieure à wL et le ciment peut être ajouté sous forme de poudre entrainée par de l’air comprimé (sans apport d’eau) : c’est ce qu’on appelle la méthode par voie sèche (Dry Mixing), soit wnat est inférieure à wL et le ciment est injecté sous forme de coulis (voie humide ou Wet Mixing) ou sous forme de poudre avec un apport d’eau en simultané (voie sèche modifiée ou Modified Dry Mixing (Gunther et al. 2004)).
Les techniques à malaxage global
Comme nous venons de le dire, pour ces techniques, le malaxage est effectué sur tout le long de la tige de forage, c’est-à-dire qu’à chaque instant, toute la hauteur pénétrée par l’outil est malaxée, et qu’à tout instant après que la profondeur totale de traitement soit atteinte, le volume global de sol traité est malaxé. Ceci peut impliquer des transferts entre les couches et une plus grande homogénéisation du mélange sur la profondeur, même s’il est difficile de croire que dans le cas d’un traitement à 20 mètres de profondeurs à travers trois sols différents, on obtiendra un seul matériau, homogène et identique sur toute sa profondeur.
Les colonnes à la tarière
C’est la technique la plus ancienne : deux tarières au moins (comme pour le Colmix, développé par Bachy), à spires hélicoïdales imbriquées, à pas opposés (Cartier et al. 1986) ou non (Stocker et al. 2005), descendent dans le sol en le déstructurant et en injectant un coulis par des orifices situés en bas de la tarière puis remontent en faisant des va-et-vient et en changeant de sens de rotation, afin d’homogénéiser le mélange (Figure 4). Le changement de sens de rotation entre la phase de descente et celle de remontée sert à compacter le matériau (Robert et al. 1994) et donc à obtenir une plus grande résistance. Les diamètres vont de 0,2 m à 1,5 m, et le nombre de colonnes réalisées par passe va de 1 à 8, même si les outils les plus généralement utilisés se limitent à 2 ou 3 tarières.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1. Bibliographie
1 Introduction
2 Les méthodes et techniques de Soil-Mixing
2.1 Soil-Mixing de surface
2.2 Soil-Mixing profond
2.2.1 Les techniques à malaxage global
2.2.2 Les techniques à malaxage localisé
2.2.3 Techniques de suivi de la qualité du malaxage
3 Constituants du matériau Soil-Mixing
3.1 Sols
3.1.1 Argilosité du sol
3.1.2 Influence de la granulométrie
3.1.3 Masse volumique du sol
3.1.4 Minéralogie
3.1.5 Teneur en eau naturelle
3.1.6 Les sols organiques
3.2 Liants utilisés
4 Réactions Eau-Sol-Liant
4.1 La chaux vive
4.2 Le ciment
5 Paramètres de réalisation influençant la résistance du matériau
5.1 Préparation du sol
5.2 Malaxage
5.2.1 Temps de malaxage
5.2.2 Energie de malaxage
5.3 Temps d’attente avant moulage
5.4 Méthodes de moulage
5.5 Conditions de cure
5.5.1 Influence de la température
5.5.2 Influence des conditions hydriques lors de la cure
5.6 Synthèse
5.7 Comparaisons chantier – laboratoire des résultats
6 Paramètres de nature et propriétés mécaniques du matériau Soil-Mixing
6.1 Floculation et teneur en eau
6.2 Evolution de la sensibilité à l’eau
6.3 Comportement à long terme
7 Conclusions
Chapitre 2. Techniques expérimentales
1 Introduction
2 Démarche
3 Matériaux
3.1 Choix des sols
3.2 Sols
3.2.1 Sables
3.2.2 Limons
3.2.3 Argiles
3.2.4 Sols mixtes
3.3 Liant utilisé
3.4 Choix des dosages
4 Programme expérimental
4.1 Influence des caractéristiques géotechniques du sol, du dosage en ciment et de la quantité d’eau
4.2 Impact de la méthode de préparation du sol mixte
4.3 Impact de la méthode de malaxage
4.4 Influence des conditions de cure
4.5 Etude de l’ouvrabilité du matériau Soil-Mixing
4.6 Essais de répétitivité et de répétabilité
5 Protocoles expérimentaux
5.1 Préparation des mélanges pour essais sur matériau induré
5.1.1 Préparation du sol
5.1.2 Réalisation du mélange
5.2 Moulage du mélange
5.2.1 Préparation des moules à éprouvettes
5.2.2 Moulage
5.3 Conservation des éprouvettes
5.4 Essais de compression simple
5.4.1 Préparation des éprouvettes
5.4.2 Matériel
5.4.3 Essais de compression
5.4.4 Résultats des essais
5.5 Essais d’ouvrabilité
5.5.1 Préparation des sols
5.5.2 Réalisation du mélange
5.5.3 Essai de pénétration au cône
6 Conclusions
Chapitre 3. Etude de la mise en œuvre du Soil-Mixing
1 Introduction
2 Retours d’expérience chantiers
2.1 Chantier de Vémars
2.1.1 But du chantier et technique de mise en œuvre
2.1.2 Situation géographique et types de sol rencontrés
2.1.3 Paramètres de chantier
2.1.4 Dosage en ciment
2.1.5 Essais d’affaissement et teneurs en eau
2.1.6 Paramètres machine
2.1.7 Essais de pénétration statique et dynamique
2.1.8 Etude du matériau chantier en laboratoire
2.2 Chantier de Fréjus
2.2.1 Présentation du chantier
2.2.2 Etude de sol
2.2.3 Réalisation des colonnes
2.2.4 Echantillonnage et programme d’essai
2.2.5 Résultats et observations
2.3 Conclusions
3 Ouvrabilité du matériau Soil-Mixing
3.1 Objectifs et démarche
3.2 Sols vierges et ciment pur
3.3 Mélanges sol naturel-ciment
3.3.1 Influence du dosage en ciment sur la limite de liquidité
3.3.2 Influence du dosage en ciment sur la sensibilité à l’eau
3.4 Mélanges sable-argile : influence de la fraction argileuse sur la limite d’ouvrabilité
3.5 Application au chantier
3.6 Conclusions
4 Etude de l’impact de la préparation du sol, de la méthode de malaxage et des conditions de cure
4.1 Objectifs et démarche
4.2 Influence de la méthode préparation du sol
4.2.1 Préparation du sol et réalisation des mélanges
4.2.2 Résultats et analyses
4.3 Influence du malaxage
4.4 Influence des conditions de cure
4.5 Conclusions
5 Conclusions générales
Chapitre 4. Etude Paramétrique
1 Introduction
2 Sols grenus
2.1 Résultats typiques
2.2 Répétitivité, répétabilité, reproductibilité et représentativité des résultats
2.3 Elasticité du matériau
2.4 Déformation à la rupture
2.5 Influence du dosage en ciment sur la résistance
2.6 Influence de la granulométrie sur la résistance et son développement
2.6.1 Cas des sables purs
2.6.2 Cas des mélanges à base de Silica Flour
2.7 Prédiction de la résistance à 28 jours d’un sol granulaire traité au ciment
2.8 Conclusions
3 Sols argileux
3.1 Résultats typiques
3.2 Représentativité et répétitivité des essais
3.3 Elasticité du matériau
3.4 Déformation à la rupture
3.5 Influence du dosage en ciment
3.6 Influence de l’eau
3.7 Conclusions
4 Mélanges sable-argile
4.1 Résultats typiques et influence de la quantité de fines
4.2 Influence du dosage en ciment sur la résistance
4.3 Elasticité du matériau
4.4 Déformation à la rupture
4.5 Conclusions
5 Synthèse des résultats
5.1 Elasticité du matériau
5.2 Déformation à la rupture
5.3 Influence des fines et de leur nature sur la résistance du matériau Soil-Mixing
5.3.1 Mélanges sable – Silica Flour et mélanges sable – kaolinite
5.3.2 Un mélange naturel : le limon
5.4 Dosage en ciment
5.5 Influence de l’eau
5.6 Abaques
Conclusions
