Béton de fondations profondes - betonica.net · N. Denies, PAROIS SOILMIX, GBB-GBMS - 18.05.2017 1 Journée d’étude - Béton de fondations profondes - Le soilmix comme matériau

1N. Denies, PAROIS SOILMIX, GBB-GBMS - 18.05.2017

Journée d’étude

- Béton de fondations profondes -

Le soilmix comme matériau constructif

- Applications et points d’attention

Nicolas [email protected], Division géotechnique

Sterrebeek18.05.2017

Soirée de formation GBB-GBMS

mailto:[email protected]

2

Contenu

1. Introduction – Deep mixing method et parois soilmix

Principes de construction et équipement

Systèmes soilmix sur le marché belge

Principe de fonctionnement d’une paroi soilmix

2. Recherche et développement au CSTC

Caractérisation hydro-mécanique du matériau soilmix

Essais en grandeur réelle

3. Dimensionnement des parois soilmix

Domaine d’application et exigences fonctionnelles

Contribution du soilmix – tables de dimensionnement

Exécution et contrôle qualité

N. Denies, PAROIS SOILMIX, GBB-GBMS - 18.05.2017

3

1. Introduction – Deep Mixing Method


La méthode du deep mixing (ou deep soil mixing) consiste à traiter le sol en le

mélangeant directement sur place (in situ) et en profondeur avec un liant de

type chaux ou ciment (le plus souvent) en utilisant une machine

conçue/adaptée à cette fin.

Deux types de méthodes :

Mélange à sec - dry deep mixing

Mélange d’un liant au sol sans ajout d’eau

Mélange par voie humide - wet deep mixing

Mélange d’un coulis (eau + liant) avec le sol en place


4

La méthode du deep mixing (ou deep soil mixing) consiste à traiter le sol en le

mélangeant directement sur place (in situ) et en profondeur avec un liant de

type chaux ou ciment (le plus souvent) en utilisant une machine

conçue/adaptée à cette fin.

Différentes configurations :

Colonnes soilmix – soil mix columns

Panneaux soilmix (type CSM - Cutter soil mix) – soil mix panels

Tranchée continue en soilmix – continuous barriers (trenchmixing)

Stabilisation globale – global mass stabilization


1. Introduction – Deep Mixing Method


Classification sur base de la méthode d’installation:injection et mélange

5

Mechanical mixing Mechanical and hydraulic mixing

Soil mix

Humide Sèche

Rotation + jetRotationCutter

CVR C-mix® (TWINMIX, TRIPLE C-mix)CSM (Cutter soil mix method) SMET TSM ® (Twin/Triple soil mix)


1. Introduction – Parois soilmix


6

Applications de la méthode en Belgique

Murs de soutènement (excavation, silo, puits d’accès aux tunnels…)

Leemans, SC of the IS-GI 2012

Denies, SC of the IS-GI 2012Topolnicki, SC of the IS-GI 2012

Royal Castle courtyard à Varsovie (Pologne)

Murs de soutènement à

Alost(Belgique):

Palplanchescombinées à

une paroi CSM

Murs de soutènementavec butons

Murs de soutènementancrés

Principale application en Belgique

Leemans, SC of the IS-GI 2012



7

Rapport pondéral eau/ciment (E/C) : 0.6 à 1.2 (-)

Quantité de ciment : 200 à 450 kg/m³

‘Spoil’ compris entre 0 et 30 %

Caractéristiques typiques :




8








9




Sable : toujours

Limon et argile molle : presque toujours

Argiles raides : dans certaines circonstances

Attention spéciale aux couches de graviers et aux sols contenant de la tourbe


Applicabilité :




10

Panneaux soilmix




11

Panneaux soilmix




12

Panneaux soilmix




13

Colonnes soilmix




14

Colonnes soilmix




15

Colonnes soilmix




Les pressions des terres et de l’eau derrière le mur de soutènement sont

transférées aux profilés métalliques à travers le matériau soilmix

= Effet d’arche (effet de voûte) dans le soilmix


16

1. Résistance à la compression du soilmix ???

2. Contribution du soilmix à la rigidité et à la résistance flexionnelle de la paroi ???



17

Contenu













18


Caractérisation du matériau soilmix

Tests sur des échantillons carottés dans des parois

Echantillonnage :

Carottage, transport, conservation, manipulation et préparation des essais


19




Echantillonnage :

Quantification des inclusions de sol non mélangées



20




Echantillonnage :


Densité

Résistance à la compression simple (UCS) + f(temps) + fluage

Module d’élasticité (E)

Résistance à la traction indirecte

Perméabilité – Porosité

Tests in situ

Adhérence entre le soilmix et l’acier



21




Echantillonnage :


Densité





Tests in situ




22




Echantillonnage :


Densité





Tests in situ



Résultats disponibles dans les publications de la recherche (voir Références)


UCS [2-12 MPa], k < 10-8 m/s, E ~1000 UCS, T ~UCS/10

23




Echantillonnage :


Densité





Tests in situ



Real-scale tests!

2. Quelle est la contribution du soilmix à la rigidité et à la résistance flexionnelle des parois soilmix ?

1. UCSsoilmix ???


24


Tests en grandeur réelle

Denies et al. DFI-EFFC 2014 Denies et al. IFCEE 2015


25


Tests en grandeur réelle – 8 large-scale UCS tests

@ laboratory facilities of the KU Leuven see Vervoort et al. IS-GI 2012 (www.tc211.be), Denies et al. ICSMGE 2013 and Denies et al. DFI-EFFC 2014

Effet d’échelle ?

Influence des inclusions de sol non mélangées ?

Représentativité des échantillons typiques de soilmix (10 cm de diamètre et 10 ou 20 cm de haut) ?


http://www.tc211.be/

26


Tests en grandeur réelle – 8 large-scale UCS tests

Denies et al. Proceedings of the XVIII ICSMGE Paris 2013

UCSblocs ≈ 70% UCScarottes (effet d’échelle)

UC

Sb

locs

UCScarottes


27


Tests en grandeur réelle – 17 large-scale bending tests

Quelle est la contribution du matériau soilmixà la rigidité et à la résistance flexionnelle des parois soilmix ?

Réduction de

la quantitéd’acier utilisée

Denies et al. DFI-EFFC 2014 and Denies et al. IFCEE 2015N. Denies, PAROIS SOILMIX, GBB-GBMS - 18.05.2017

28


Tests en grandeur réelle – 17 large-scale bending tests

Conclusions de la campagne expérimentale

Contribution du matériau soilmix à la résistance flexionnellede la paroi de soutènement (pour applications temporaires) Rédaction d’une méthode de dimensionnement

1. EIreal dépend du moment de flexion (fissuration dans le soilmix)

2. EIreal dans le domaine d’exploitation >> EIpoutre acier

détermination optimale des moments de flexion

3. Moment à la rupture Mmax est plus élevé que Mel (Moment à la

limite d’élasticité des poutrelles en acier)

– range des rapports Mmax/Mel [1.8 à 3]

4. Grâce au soilmix: yield, steel est atteint à des moments plus élevés

– range M(=yield, steel)/Mel [1.2 à 1.7] augmentation [20 à 70%]

Denies et al. DFI-EFFC 2014 and Denies et al. IFCEE 2015


29

Contenu













en conformité avec les

Eurocodes

30

Handboek– “SOILMIX-WANDEN” (in het Nederlands)

Directives (design, exécution et contrôle des parois soilmix)

Méthode de dimensionnement des structures soilmix

Basée sur les résultats R&D du CSTC (Projet IWT 2009-2013)

Méthodologie en accord avec les Eurocodes

Design values pour la résistance et la rigidité du soilmix

Structures temporaires

Contribution du matériau soilmix (reduction de l’acier)




Eurocodes

31

Handboek– “SOILMIX-WANDEN” (in het Nederlands)

Directives (design, exécution et contrôle des parois soilmix)

Méthode de dimensionnement des structures soilmix

Basée sur les résultats R&D du CSTC (Projet IWT 2009-2013)

Méthodologie en accord avec les Eurocodes

Design values pour la résistance et la rigidité du soilmix

Structures temporaires

Contribution du matériau soilmix (reduction de l’acier)



32

Handboek– “SOILMIX-WANDEN”



Parois soilmix temporaires Durée de vie < 2 ans

Parois soilmix permanentes Durée de vie > 2 ans

Durée de vie des parois soilmix :


33

FONCTION A : Paroi soilmix - mur de soutènementtemporaire (pressiondes terres)

Principes de base :

Influence composants agressifs (polluants/eau salée)

prise et durcissement du soilmix

fsm,k (= valeur caractéristique UCS) > 0.3 MPa (érosion)

Interaction soilmix-acier considérée

pour le calcul du moment résistant

EI de la section composée prise en compte dans le calcul





34

FONCTION B : Paroi soilmix – murde soutènementpermanent(pression des terres)

Principes de base : fonction A +



durabilité

fsm,k > 0.5 MPa (érosion)

Interaction soilmix-acier non considérée dans le calcul

structurel


Protection de la paroi

Exigences corrosion

Facteurs de réduction LT UCS*a (a=0.85) et E/2

Fluage et tassement

Charges dynamiques, sismiques et accidentelles

(incendies…)





35

FONCTION C : Paroi soilmix – mur de soutènementtemporaire (pressiondes terres et de l’eau)

Principes de base :






ksoilmix < 10-8 m/s

kparoi < 10-7 m/s





36

FONCTION D : Paroi soilmix - mur de soutènement (pression des terres et de l’eau) avec au minimum une fonction permanente

Poussée des terres perm.Poussée de l’eau temp.

Poussée des terres perm.Poussée de l’eau perm.

Poussée des terres perm./temp.Poussée de l’eau perm.

Principes de base : combinaison des fonctions B et C Influence composants agressifs (polluants/eau salée) fsm,k > 0.5 MPa (érosion) Interaction soilmix-acier non considérée EI de la section composée prise en compte dans le calcul Protection de la paroi et exigences corrosion Facteurs de réduction LT UCS*a (=0.85) et E/2 Fluage et tassement, charges dynamiques, sismiques et accidentelles (incendies…)

ksoilmix < 10-8 m/s kparoi < 10-7 m/s





Principes de base :




Transmission des efforts verticaux :

limités par l’adhérence entre le soilmix et l’acier :


Pas de frottement considéré au-dessus du niveau

d’excavation

Eléments soilmix armés sur toute leur longueur

37

FONCTION E : Paroi soilmix –fonction portante temporaire

𝝉𝑹𝒅 = 𝒎𝒊𝒏 𝟏𝟎% 𝑼𝑪𝑺𝒅𝒆𝒔𝒊𝒈𝒏 𝒗𝒂𝒍𝒖𝒆 𝒆𝒕 𝟎. 𝟑𝟎 𝑴𝑷𝒂





Principes de base : fonction E +

Influences composants agressifs (polluants/eau salée)

prise et durcissement + durabilité

Transmission des efforts verticaux :

Adhérence/interaction soilmix-acier considérée si

fsm,k ≥ 3 MPa

protection de la paroi

absence de polluants pouvant dégrader dans le

temps l’intégrité du matériau soilmix

Exigences corrosion

38

FONCTION F : Paroi soilmix –fonction portante permanente

Facteurs de réduction LT UCS*a (=0.85) et E/2

Fluage, charges dynamiques, sismiques et accidentelles

(incendies…)





Principes de base :




ksoilmix < 10-8 m/s

kparoi < 10-7 m/s

Si valeurs plus sévères :

géomembranes peuvent être installées dans le soilmix

fraichement exécuté

39

FONCTION G : Paroi soilmix –fonction étanche(cut-off) temporaire





Principes de base :




ksoilmix < 10-8 m/s

kparoi < 10-7 m/s




40






Principes de base :




ksoilmix < 10-8 m/s

kparoi < 10-7 m/s




41






42

FONCTION H : Paroi soilmix –fonction étanche(cut-off) permanente

Principes de base : fonction G +


prise et durcissement du soilmix + durabilité


ksoilmix < 10-8 m/s

kparoi < 10-7 m/s




Protection de la paroi

Charges dynamiques et sismiques





43

Protection de la paroi - durabilité

Χ Dégats mécaniques (accidents, surcharge, tassement, incendie…)

Χ Dégradation physique

cycles gel/dégel,

cycles humidification/séchage ( ! parking ventilé ! )

Χ Dégradation chimique (composants agressifs dans le sol ou la nappe)

Paroi de protection en béton armé, béton projeté et armé, coating…

Exigences corrosion

EN 1993-5: Eurocode 3 – design of steel structures – Part 5 Piling

Χ soilmix ≠ béton, grout, mortier

Χ pH du soilmix peut diminuer dans le temps (carbonatation du soilmix)

Χ recouvrement soilmix ≠ protection suffisante !

Mesures spécifiques : coating (galvanisation…), protection cathodique…

Epaisseur sacrificielle (tables 4.1 et 4.2 EN 1993-5)





44

Efforts normaux

Efforts tranchants

Moments

En principe : résistance structurelle basée sur

la résistance de l’acier

Contribution du matériau soilmix au moment de flexion

+ adhérence soilmix-acier

Tables de dimensionnement pour les panneaux et les

colonnes soilmix renforcés avec des poutres d’acier

(cages d’armature non considérées dans cette approche)

Pour les applications temporaires :

Dimensionnement – contribution du soilmix




45

Pour les applications soilmix temporaires :

Développement d’une méthodologie similaire

Valeur de calcul de l’adhérence soilmix-acier limitée à :

Eurocode 4 (Design of composite steel and concrete structures)

𝝉𝑹𝒅 = 𝒎𝒊𝒏 𝟏𝟎%𝑼𝑪𝑺𝒅𝒆𝒔𝒊𝒈𝒏 𝒗𝒂𝒍𝒖𝒆 𝒆𝒕 𝟎. 𝟑𝟎 𝑴𝑷𝒂

Adhérence béton-acier limitée à 0.3 MPa

Dimensionnement – approche Eurocode 4

Méthodologie de dimensionnement d’une section composée




46

Dimensionnement – moments résistants – applications temporaires

Jusqu’à 40 % de réduction de la quantité d’acier utilisée !!!




47

Efforts normaux

Efforts tranchants

Moments

En principe : résistance structurelle basée sur

la résistance de l’acier

Contribution du matériau soilmix au moment de flexion

+ adhérence soilmix-acier

Pour les applications temporaires :

Moments de flexion calculés sur base de la résistance de l’acier

Pour les applications permanentes :

Dimensionnement – moments résistants – applications permanentes




Valeurs de contrôle

(positionnement soilmix/armatures)

48


Execution monitoring

Tolérances géométriques (d’installation)

Propriétés du matériau soilmix

EN 14679 – 2005: execution standard

Tests sur des échantillons

carottés

Type et nombre d’essais

Classe de risque de la structure

Fonction de la paroi soilmix

Dans les Eurocodes, chaque structure particulière correspond à une classe de risque (CR) variant de 1 (faible) à 3 (élevé).

Directives pour l’application de l’EC7 en Belgique : Conception géotechnique d’ouvrages de soutènement - version 19/03/2015(Soirée de formation du GBMS du 02.04.2015 - Annexe 1)



Taille du chantier


49

2016 :

Dimensionnement, exigences fonctionnelles et contrôle qualité dépendent

des fonctions de la paroi soilmix, de sa durée de vie et de sa classe de

risque

Soutènement (terres et eau), capacité portante et étanchéité (cut-off)

Temporaire (< 2 ans) ou permanent (> 2 ans)

Méthode de dimensionnement projet SOIL MIX du CSTC (2009-2013)

Contribution du soilmix à la rigidité flexionnelle

Contribution du soilmix au moment résistant pour les parois temporaires :

Tables de dimensionnement avec une réduction de la quantité d’acier

Pour les parois permanentes :

Exigences en terme de durabilité (protection de la paroi + corrosion)


Eurocodes

Base pour de futurs développements (nouveaux systèmes, autres applications…)




50

2016 :

Dimensionnement, exigences fonctionnelles et contrôle qualité dépendent

des fonctions de la paroi soilmix, de sa durée de vie et de sa classe de

risque

Soutènement (terres et eau), capacité portante et étanchéité (cut-off)

Temporaire (< 2 ans) ou permanent (> 2 ans)

Méthode de dimensionnement projet SOIL MIX du CSTC (2009-2013)

Contribution du soilmix à la rigidité flexionnelle

Contribution du soilmix au moment résistant pour les parois temporaires :

Tables de dimensionnement avec une réduction de la quantité d’acier

Pour les parois permanentes :

Exigences en terme de durabilité (protection de la paroi + corrosion)


Eurocodes

Base pour de futurs développements (nouveaux systèmes, autres applications…)




51

Domaine d’applications de la méthode

Amélioration des sols

Alternative aux fondations classiques

Reprise en sous-oeuvre

Barrière/écran étanche & protection contre les crues (cut-off walls)

Renforcement des talus, remblais, digues…

Remédiation in situ (barrière réactive perméable, écrans étancheset ‘hot-spot’ soil treatment par stabilisation/solidification (S/S des contaminants)

Barrières/caissons anti-liquéfaction

Stabilisation globale

Land reclamation (récupération de terres)…

Perspectives

Parois de soutènement en soilmix

Dimensionnement des parois armées d’une cage d’armature


52

Références Ganne P., N. Denies, Huybrechts N., Vervoort A., Tavallali A., J. Maertens, B. Lameire, De Cock F. 2011. Soil Mix: Influence of Soil

Inclusions on Structural Behaviour. 15th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 12-15 September 2011, Athens, Greece, pp. 977-982, September 12, 2011.

Ganne P., N. Denies, Huybrechts N., Vervoort A., Tavallali A., J. Maertens, B. Lameire, De Cock F. 2012. Deep Soil Mix technology in Belgium: Effect of inclusions on design properties. Grouting and Deep Mixing 2012. ASCE Geotechnical Special Publication no 228, Vol. 1, pp. 357-366, February 15, 2012.

N. Denies, Huybrechts N., De Cock F., B. Lameire, J. Maertens, Vervoort A. 2012. Soil Mix walls as retaining structures – Belgian practice. Proceedings of the International symposium of ISSMGE - TC211. Recent research, advances & execution aspects of ground improvement works. N. Denies and N. Huybrechts (eds.). 31 May-1 June 2012, Brussels, Belgium, Vol. III, pp. 83-97. May 31, 2012.

N. Denies, Huybrechts N., De Cock F., B. Lameire, Vervoort A., Van Lysebetten G., J. Maertens. 2012. Soil Mix walls as retaining structures – mechanical characterization. Proceedings of the International symposium of ISSMGE - TC211. Recent research, advances & execution aspects of ground improvement works. N. Denies and N. Huybrechts (eds.). 31 May-1 June 2012, Brussels, Belgium, Vol. III, pp. 99-115. May 31, 2012.

N. Denies, Huybrechts N., De Cock F., B. Lameire, Vervoort A., J. Maertens. 2012. Mechanical characterization of deep soil mix material – procedure description. Proceedings of the International symposium of ISSMGE - TC211. Recent research, advances & execution aspects of ground improvement works. N. Denies and N. Huybrechts (eds.). 31 May-1 June 2012, Brussels, Belgium, Vol. III, pp. 117-126. May 31, 2012.

Vervoort A., Tavallali A., Van Lysebetten G., J. Maertens, N. Denies, Huybrechts N., De Cock F., B. Lameire. 2012. Mechanical characterization of large scale soil mix samples and the analysis of the influence of soil inclusions. Proceedings of the International symposium of ISSMGE - TC211. Recent research, advances & execution aspects of ground improvement works. N. Denies and N. Huybrechts (eds.). 31 May-1 June 2012, Brussels, Belgium, Vol. III, pp. 127-135. May 31, 2012.

N. Denies, Van Lysebetten G. 2012. General report Session 4 – Soil Mixing 2 – Deep Mixing. Proceedings of the International symposium of ISSMGE - TC211. Recent research, advances & execution aspects of ground improvement works. N. Denies and N. Huybrechts (eds.). 31 May-1 June 2012, Brussels, Belgium, Vol. I, pp. 87-124. May 31, 2012.

Van Lysebetten G., Vervoort A., N. Denies, Huybrechts N., J. Maertens, De Cock F., B. Lameire. 2013. Numerical modeling of fracturing in soil mix material. International Conference on Installation Effects in Geotechnical Engineering. March 24 – 27, 2013. Rotterdam, pp. 58-64. The Netherlands. March 24, 2013.

Van Lysebetten G., Vervoort A., Huybrechts N., Maertens, J. 2014. Discrete element modeling for the study of the effect of soft inclusions on the behavior of soil mix material. Computers and Geotechnics 55 (2014) 342-351.


53

Références N. Denies, G. Van Lysebetten. 2013. Summary of the Short Courses of the IS-GI 2012 - Latest Advances in Deep Mixing.

Proceedings of the International symposium of ISSMGE - TC211. Recent research, advances & execution aspects of ground improvement works. N. Denies and N. Huybrechts (eds.). 31 May-1 June 2012, Brussels, Belgium, Vol. V, pp. 73-123. September 5, 2013.

N. Denies, G. Van Lysebetten. 2013. Summary of the Short Courses of the IS-GI 2012 - Latest Advances in Deep Mixing. Proceedings of the International symposium of ISSMGE - TC211. Recent research, advances & execution aspects of ground improvement works. N. Denies and N. Huybrechts (eds.). 31 May-1 June 2012, Brussels, Belgium, Vol. V, pp. 73-123. September 5, 2013.

N. Denies, Van Lysebetten G., Huybrechts N., De Cock F., B. Lameire, Maertens J., Vervoort A. 2013. Design of Deep Soil Mix Structures: considerations on the UCS characteristic value. 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris, France, 2013, Vol. III, pp. 2465-2468. September 2, 2013.

N. Denies, G. Van Lysebetten, N. Huybrechts, F. De Cock, B. Lameire, J. Maertens, A. Vervoort. 2014. Real-Scale Tests on Soil Mix Elements. Proceedings of the International Conference on Piling & Deep Foundations, Stockholm, Sweden, 21-23 May 2014, Eds. DFI & EFFC, pp. 647-656. May 21, 2014.

N. Denies, N. Huybrechts, F. De Cock, B. Lameire, J. Maertens, A. Vervoort. 2015. Large-Scale Bending Tests on Soil Mix Elements. ASCE Proceedings of the IFCEE 2015, San Antonio, Texas, March 17-21 2015, pp. 2394-2409. doi: 10.1061/9780784479087.222 ISBN (PDF): 978-0-7844-7908-7. March 17, 2015.

N. Denies and N. Huybrechts. 2015. Deep Mixing Method: Equipment and Field of Applications. Ground Improvement Case Histories, Book chapter 11, Elsevier, pp. 311-350 (ISBN: 978-0-08-100191-2). May 1, 2015.

N. Denies, N. Huybrechts, F. De Cock, B. Lameire, J. Maertens, A. Vervoort, J. de Leeuw, F. Hoefsloot. 2015. Design and Quality Control of Soil Mix Walls for Earth and Water Retaining Structures. Proceedings of the DFI Deep Mixing Conference 2015, San Francisco, CA, June 2-5, 2015, pp. 35-44. June 2, 2015.

N. Denies, N. Huybrechts, F. De Cock, B. Lameire, J. Maertens, A. Vervoort, A. Guimond-Barrett. 2015. Thoughts on the durability of the soil mix material. ICE Publishing - Proceedings of the XVI ECSMGE Geotechnical Engineering for Infrastructure and Development, pp. 1403-1408, ISBN 978-0-7277-6067-8, © The authors and ICE Publishing: All rights reserved, 2015 doi:10.1680/ecsmge.60678. September 14, 2015.

N. Denies, N. Huybrechts, F. De Cock, B. Lameire, J. Maertens, A. Vervoort, J. de Leeuw, F. Hoefsloot. 2015. Ontwerp van soilmix-wanden voor kerende constructies. Geotechniek, jaargang 19, nummer 5, december 2015, pp.20-25.

S. Varaksin, B. Hamidi, N. Huybrechts, N. Denies. 2016. Ground Improvement vs. Pile Foundations. Keynote Lecture in the proceedings of the International Symposium 2016 of the ETC3 – How did Eurocode 7 change daily practice? Leuven, Belgium, April 28-29, 2016, pp. 157-205.

SBRCURnet/WTCB handboek Soilmix-wanden – Ontwerp en uitvoering –. Delft, juni 2016, ISBN 978 90 5367 616 5


54N. Denies, Parois SOILMIX, BGGG-GBMS - 10.12.2015

Merci de votre attention

Documents

Béton de fondations profondes - betonica.net · N. Denies, PAROIS SOILMIX, GBB-GBMS - 18.05.2017 1 Journée d’étude - Béton de fondations profondes - Le soilmix comme matériau