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Amélioration des sols par colonnes ballastées

Séminaire du LaegoEcole des Mines de Nancy

13/04/2005

Directeur de Thèse : Farimah MASROURIDoctorant 2e année : Sébastien CORNEILLE

DURMEYERFondations spéciales

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Problématique• Colonne ballastée :

Inclusion verticale, mise en place par refoulement du sol, constituée de matériau pulvérulent de caractéristiques définies.

• Objectifs d’une amélioration de sol par colonnes ballastées :1. augmenter la capacité portante du sol ;2. diminuer les tassements totaux et différentiels ;3. diminuer le temps de consolidation ;4. diminuer les risques induits par les phénomènes de liquéfaction lors des séismes.

• Dimensionnement actuel/Recommandations techniques du SOFFONS & COPREC (mi 2005)

3

Plan

• Résultats de l’étude bibliographique

• Les essais en grandeur réelle

• La modélisation

• Conclusion & perspectives

4

2. Résultats issus de l’étude bibliographique2.1 Sols à améliorerSelon la granulométrie

Argile Limon Sable fin Gravier

0,002 0,02 20,2

Sable grossier

20 mm

Vibroflottation selon Dhouib (2003)

0,001

Sols organiques

Colonnes ballastées selon Queyroi et al. (1985)

Colonnes ballastées selon Dhouib (2003)

Vibroflottation selon Queyroi et al. (1985)

10

Colonnes ballastées selon Priebe (1991)

Vibroflottation selon Priebe (1991)

Argile Limon Sable GravierSols

organiques

Figure 1 – Amélioration de sol par colonne ballastée ou vibroflottation selon le type de sol

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2. Résultats issus de l’étude bibliographique

Sols pulvérulents :

1

10

100

0 1 2 3Coefficient de frottement FR (%)

Rés

ista

nce

en p

oint

e qc

(MPa

)

Zone 1 Zone 3Zone 2

ZONE 1 : Sol compactable par simple vibration ⇒ vibroflottation

ZONE 2 : Sol de faible campactibilité ⇒ colonne ballastée

ZONE 3 : Sol non compactable par simple vibration ⇒ colonne ballastée

FR = Frottement latéral/résistance en pointe

Figure 2 – Compactibilité d’un sol pulvérulent en fonction de la résistance en pointe et du frottement latéral, d’après Massarsch (1991)

2.1 Sols à améliorerSelon la nature

6

STEU3 à 23 coups par 0,30 m (SPT)--Mitchell et Huber

(1985)

-

cu = 20 et 35 kPa(essais

scissométriques)

cu = 12 à 24 kPa(essais

scissométriques)

8 à 25 coups par 0,30 m (SPT)

Autres essais in-situ

Remblai--Greenwood (1991)

Bâtiment industrielpl = 0,3 à 0,5 MPa0,1 à 1 MPaMorgenthaler et al.

(1978)

Stabilisation de talus--Goughnour et al.

(1991)

Bâtiment industriel

pl = 0,1 à 0,3 MPa en moyenne

0,5 à 5 MPa en moyenne

Bustamante et al.(1991)

OuvrageEssais pressiométriques

Essais de pénétration statiqueAuteur

Sols cohérents :

Sols organiques (vases, tourbe) et déchets :Subissent des modifications physico-chimiques au cours de leur évolution = colonnes

ballastées non adaptées

2.1 Sols à améliorerSelon la nature

Tableau 1 – Quelques exemples de sols cohérents traités par colonnes ballastées

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2.2 Couche d’ancrage

3,500,30 (au moins)Argiles sableuses-Mitchell et Huber (1985)

1 mètre (au moins)

0,60

1,40 à 2,30

-

Longueur d’ancrage (m)

1,26Sable silteux & argile silteuse4 à 41Hussin et Baez (1991)

-Pulvérulent & cohérent-Barksdale et Bachus (1983)

0,39 à 0,79Moraines7 à 78Allen et al. (1991)

-Sable limoneux dense48Guilloux et al. (2003)

Rapport diamètre colonne/longueur

d’ancrageNatureValeur de SPT

(coups par 0,30 m)Auteur

2.3 Matériau de remplissage : le ballast

Bottom feed40 max.-Gravier roulé ou concasséBarksdale et Bachus (1983)

Top feed20/40-Gravier calcaire subanguleuxCallanan (1991)

20/50

-

0/20

Granulométrie (mm)

Top feed45Roche concasséeRathgeb et Kutzner (1975)

Pilonnage40Grave concassée, propreBustamante et al. (1991)

Bottom feed-Roche concasséeBrunner et al. (2004)

Techniqueϕ’ (°)Nature du ballastAuteur

Tableau 2 – Quelques exemples de couches d’ancrage

Tableau 3 – Quelques exemples de caractéristiques du ballast

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2.4 Mécanismes de fonctionnementLe comportement d’une colonne est fonction :* de la nature du sol à améliorer ;* du matériau employé ;* de la disposition (isolée ou en groupe) ;* du type de fondation superficielle (souple ou rigide) ;* de la charge appliquée.

2.5 Modes de rupture

Figure 3 - Modes de ruptures des colonnes ballastées isolées selon Datye (1982)

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2.4 Dispositions géométriques

Sables silteux96 à 145 (-)2,40 et 3,00TriangulaireHussin et Baez (1991)

Limons160 à 300 (bâtiment industriel)VariablesMorgenthaler et al.

(1978)

Remblais pulvérulents123 (essai en grandeur réelle)1,80

5 colonnes en ligne

Watts et al. (2000)

Sables limoneux190 à 340 (réservoir)2,40 x 2,40CarréGuilloux et al. (2004)

Nature du solContrainte verticale (kPa) & type d’ouvrageEspacementMaillageAuteur

Tableau 4 – Quelques exemples de caractéristiques du ballast

Etude bibliographiqueEssais à long terme sur

une semelle filante, colonnes en quinconces Essais à long terme

sur une colonne isolée sous semelle

Essais à long terme sur un groupe de 3

colonnes sous semelle

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3. Programme des essais de chargement en grandeur réelle

3.1 Essais d’étalonnageSur colonne isolée & sur 2 colonnes de 1,80 m d’entre axe * profondeurs atteintes ; * consommation de ballast ;* vérification du diamètre ;* observation des zones autour de la colonne.

3.2 Essais de chargementMesure :

• déplacements verticaux ;

• déplacements horizontaux ;

• pression sur colonne et sur sol ;

• pression interstitielle.

1,20 m

1,20 m

0,275 m

2,76 m

3,00 m

1,80 m

0,275 m

0,275 m

0,275 m

1,80 m

Figure 4 – Vue en plan des semelles sur colonnes

11

0,70 m

Figure 5 – Atelier de colonne ballastée

Figure 6 – Ballast (gravier roulé 15/30 mm)

Figure 7 – Vue en coupe d’une colonne

3.1 Essais d’étalonnage

12

3. Modélisation

3.2 Paramètres des matériaux

40

38

28

ϕ (°)

0,30

0,25

0,30

ν

40

0

10

c (kPa)

40

60

1,6

E (MPa)

Ballast

Argile (sol à améliorer)

Marne (substratum)

Matériau

3.3 Résultats Déplacement vertical imposé de 1 cm

Tableau 5 – Paramètres des matériaux (la loi de comportement retenue : Mohr-Coulomb)

3.1 Modèle/Logiciel2D axisymétriePLAXISFLAC

Objectifs :* étude paramétrique ;* comparaison avec mesures in-situ. Argile

Marne

Figure 8 – Modèle

13

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

00,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

Distance à l'axe (m)Tassement (cm

)

ss_0,5 mac_0,5 m

Figure 9 – Evolution du tassement en fonction de la distance à l’axe du modèle, à 0,50 m de profondeur, pour un déplacement imposé de 1 cm en tête de semelle (FLAC 2D)

14

-1

-0,9

-0,8

-0,7

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

00 2 4 6 8 10 12

Distance à l'axe (m)

Tassement (cm

)

ss_1 mac_1 m

Figure 8 – Evolution du tassement en fonction de la distance à l’axe du modèle, à 1 m de profondeur, pour un déplacement imposé de 1 cm en tête de semelle (PLAXIS 2D)

15

Facteur de réduction des tassements :

• PLAXIS : 1,5

• FLAC : > 3

• bibliographie : 1,5 à 2,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Facteur de réduction des tassements

Profondeur (m)

FLACPLAXIS 1 cmPLAXIS 2 cm

Figure 9 – Evolution du facteur de réduction des tassements en fonction de la profondeur

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Facteur de concentration des contraintes :

• PLAXIS : diminue en fonction de la profondeur (5,5 à 1,8)

• FLAC : diminue en fonction de la profondeur (4,8 à 1,5)

• bibliographie : 1,5 à 9

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

- 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

Facteur de concentration des contraintes

Profondeur (m)

Flac 1 cmPlaxis 1 cm

Figure 10 – Evolution du facteur de concentration des contraintes en fonction de la profondeur

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4. Conclusion et Perspectives

• Poursuite des essais de chargement en grandeur réelle• Choix du logiciel 2D & réalisation d’une étude

paramétrique plus fine• Calculs 3D & comparaison avec résultats in-situ