ORGANISME NATIONAL DE CONTROLETECHNIQUE DE LA CONSTRUCTION DU CENTRE

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LA CONSTRUCTION SUR SOLS GONFLANTSLA CONSTRUCTION SUR SOLS GONFLANTS

I . INTRODUCTION

Certains sols argileux soumis aux variations de la teneur en eau, peuvent augmenter ou diminuer de volume. Ces phénomènes cycliques de gonflement retrait provoquent des contraintes parasites dans les structures et au niveau des fondations. Ces contraintes engendrent des dommages dans les bâtiments, les autoroutes, les pavages, les pistes d’aéroport et dans les structures légèrement chargées.

Le gonflement des sols naturels est spécifique à certains sols argileux et principalement lié aux variations de leur teneur en eau. Les variations de volume de ces sols argileux ne sont pas seulement proportionnelles aux fluctuations de la teneur en eau,c’est à dire de ces cycles pluviométriques et des déficits hygrométriques, facteurs climatiques, mais elles dépendent également pour une large part de la nature minéralogique des argiles qui composent ces sols.

• Les structures légères et particulièrement les

logements individuels, sont rarement conçus pour

résister ou s’adapter aux cycles successifs de

gonflement et des tassements argileux sensibles, qui

accompagnent les cycles de pluies et de sécheresse.

• Les pressions de gonflement développées par le sol

sous une semelle de fondation peuvent atteindre de 0,20

à 0,50 Mpa et l’ampleur des mouvements de 5 cm à 20

cm, c’est à dire des valeurs pour les quelles les

bâtiments courants ne sont pas adaptés.

II . ASPECT MINERALOGIQUE DES SOLS ARGILEUX :Les particules argileuses sont douées de propriétés colloïdales ce

qui explique la diversité du comportement de l’argile. Ces minéraux argileux ont en général une structure cristalline feuilletée. Ces minéraux sont classés en familles, espèces et variétés :

Les trois (03) familles les plus connues sont : • La kaolinite

• L’illite • La montmorillonite

Les roches de cette dernière famille peuvent absorber beaucoup d’eau dans des proportions considérables en donnant lieu à des gonflements importants, car les liaisons d’un feuillet à l’autre sont faibles et l’eau pénètre facilement entre les feuillets.

Les principaux facteurs influant sur le gonflement sont :

• La nature minéralogique

Avec un indice de gonflement de 0,50, les

montmorillonites sont les plus gonflantes puis

viennent les illites et les kaolinites.

• La structure des matériaux

Un matériau non remanié présentera des

caractéristiques de gonflement plus importantes

qu’un matériau remanié.

II. 1- Reconnaissance et Quantification des sols gonflants :

II.1. 1- A l’échelle régionale pour l’étude géologique :

Une telle cartographie peut être envisagée au fur et à mesure de la connaissance de ces zones potentiellement gonflantes.

• II.1.2- A l’échelle microscopique par l’étude minéralogique :

Ce type de diagnostic est généralement associé soit à une étude géologique exhaustive, soit à une étude géotechnique où l’en cherche la confirmation de résultats par une identification minéralogique. Les minéraux argileux gonflants (montmorillonite, illite) ayant des formes et des assemblages très caractéristiques, ainsi que les propriétés minéralogiques très spécifiques.

Plusieurs méthodes sont couramment employées :

- diffractométrie par rayon X,

- microscope à balayage électronique.

II.1.3 - Par Caractérisation du sol :Dans la littérature technique, il existe plusieurs règles

d’identification et de classification. Il y’a celles qui sont basées sur un seul paramètres et d’autres sur la combinaison de deux (02) ou plusieurs paramètres, évidemment plus le nombre des paramètres combinés est grand plus la prévision de potentiel de gonflement est meilleure ( SNETHEN 1977 )

Élevé35

Modéré15 –30

Faible ou nul 15

Potentiel de gonflement IP (%)

Potentiel de GONFLEMENT en fonction de wL

Extra élevé90

très élevé70 - 90

élevé50- 70

Moyen35 – 50

Faible20 - 35

Non gonflant0 - 20

Classification du taux de

gonflement

WL (%)

Potentiel de GONFLEMENT en fonction de Wl et IP

très élevé4670

élevé24 - 4650 – 70

Faible à moyen15 – 2420 – 49

Classification du gonflement

IP (%)WL (%)

Evaluation du potentiel de gonflement en fonction de IP ; WL et W

très élevé701145

élevé50 - 707 – 1225 – 41

Moyen35 – 5010 -1515 – 28

Faible20 - 351518

ClassificationWL (%)W (%)IP (%)

III. Mesure de la pression de gonflement :

La pression de gonflement d’une argile se détermine en

laboratoire à l’essai oedométrique. L’échantillon est placé dans la

membrane oedométrique et la mesure de la pression de gonflement

se fait avec soulèvement nul. C’est à dire qu’au fur et à mesure du

développement du processus de gonflement au sein de l’argile suite

à l’hydratation progressive, on surcharge l’échantillon pour

empêcher toute variation de volume et ce jusqu’à l’équilibre.

La contrainte finale qu’il aura fallu placer sur l’échantillon

après l’hydratation complète est appelée pression de gonflement.

ESSAI A L’OEDOMETRE

ESSAI A L’OEDOMETRE: Argile gonflante

• L’amplitude du gonflement pourra se mesurer sur le

terrain par un suivi topographique de piquets

gradués implantés sur la surface concernée. Cette

méthode est longue et nécessite plusieurs mois de

lecture

• Les essais doivent s’effectuer sur des échantillons

intacts.

III.1- Essai oedométrique :

C’est un essai d’analyse du comportement du sol

sous l’action d’une contrainte verticale avec blocage des

déformations latérales. Il permet de tracer l’évolution du

tassement vertical en fonction des incréments de

contrainte. Le déchargement de l’échantillon par paliers

permet également le suivi du gonflement des argiles.

- La pression de gonflement du sol ’g correspondant à la pression maximale que l’on doit maintenir sur le piston d’un oedomètre pour maintenir constante le volume d’une éprouvette saturée sous l’effet d’une contrainte ’ verticale donnée.

• III.1.1- Quelques paramètres de déformation de sol :

P’ = 1 ( ’1 + ’2 + 3’) : contrainte moyenne 3

v = ( 1 + 2 + 3) : déformation volumique

• 1 : déformation verticale

• Q = ( ’1 - ’3) : déviateur des contraintes

• Cc : Indice de compression, c’est la valeur absolue de la

pente rectiligne d’une courbe oedométrique.

Cc = e1 – e0

Log ( ’1 / ’0)

• Cg : Indice de gonflement, c’est la valeur absolue de la pente de la partie rectiligne du début de déchargement.

• Cg = e – emin

Log ( ’v / ’v max ) ’1

’2’3

III.1.2- Modèle de ZERVOYANNIS:

Le modèle de ZEROYANNIS permet l’obtention

du rapport Cc /Cg en fonction de l’indice de

plasticité.

• Cette corrélation est plus fiable pour des indices

de plasticité IP variables de 20% à 40%.

Cc /Cg = 2 + 0,77. IP

III.1.3- Retrait :

Contrairement au gonflement engendré par une

augmentation de volume, une dessiccation entraîne un

tassement des sols gonflants sans qu’il y’ait eu la

moindre modification aux contraintes totales appliquées.

L’incidence de ce phénomène sur les ouvrages se

manifeste par des tassements différentiels excessifs

qui provoquent des fissures difficiles à traiter à cause de

l’effet cyclique.

IV.1 Classification du gonflement :

La vulnérabilité des ouvrages sur sols gonflants est en fonction du potentiel de gonflement qui se manifeste suivant les valeurs du soulèvement total prévisionnel.

5Très mauvais siteSupérieur à 10 cm

4Mauvais site5 - 10 cm

3Site moyen 1.50 - 5.00 cm

2Bon site 0.50 - 1.50 cm

1Très bon site0 - 0.50 cm

GroupeClassementSoulèvement Total

IV.2 Les sols gonflants et la construction :

Avant de donner quelques dispositions constructives permettant d’éviter le gonflement sous les fondations, il y’a lieu de citer quelques pratiques qu’il ne faut pas faire pour aboutir à un bon comportement de la construction.

Les Dix (10) Erreurs à Éviter :

1 – Éviter absolument les variations de la teneur en eau du sol de fondations, même dans le voisinage des constructions. La pratique courante sur chantier qui consiste à arroser le sol afin d’y faciliter l’exécution des excavations change sa teneur en eau. Par conséquent, il est important de laisser la fouille ouverte pour permettre l’évaporation totale de l’eau et ne pas couler immédiatement la fondation.

2 – Ne jamais faire confiance au seul calcul d’équilibre des fondations, car le phénomène de gonflement est très hétérogène et reste toujours différentiel dans la réalité.

PROBLEME D’EQUILIBRE ENTRE LES FORCES TRANSMISES ET LES REACTIONS AU NIVEAU DU SOL.

3 – Éviter la pose des drains prés des fondations :

Les sols gonflants sont souvent argileux et imperméables ce qui pose la difficulté de leur drainage par simple gravité.

4 - La rigidification des fondations et de la structure à elle seule ne suffira pas.

Des dispositions constructives supplémentaires doivent êtreprises pendant la conception et la réalisation de l’ouvrage. Il est àsignaler que certaines pressions de gonflement atteignent plusieurs centaines de Kpa et parfois aucune structure courante en béton armé ne peut accepter les moments de flexion qui en résultent.

5 - Les fondations sur puits fondés à un niveau non gonflants sans protection sur le fût ne sont pas acceptables :

En effet, les forces de frottement latéral qui naîtront sur les parois donneront les mêmes résultats sauf si des précautions particulières ont été prévues pour éliminer ces frottements.

6 - Faire une bonne conception du réseau d’assainissement intérieur :

- Éviter la disposition des salles d’eau au centre de la construction mais plutôt aux endroits les plus proches du réseau d’évacuation des eaux usées et celui de l’ AEP.

- Toutes les pentes aux alentours du bâtiment doivent être nettement orientées vers l’extérieur et aucune stagnation des eaux ne doit être tolérée.

7 - Les canalisations d’évacuation doivent être conçues en matériaux souples et flexibles supportant les déformations engendrées par le gonflement.

Ne jamais lier les réseaux divers (alimentation et évacuation), àla structure du bâtiment. Ces derniers doivent être indépendants de la construction pour qu’ils ne soient pas entraînés par le mouvement de la structure en cas de gonflement.

8 - Faire un dimensionnement adéquat des réseaux afin d’assurer une bonne circulation des eaux, il y’a lieu de respecter la hiérarchie dans le dimensionnement du réseau des eaux usées ainsi que les pentes d’écoulement.9 - Intervenir rapidement pour la réparation des fuites du réseau d’AEP ou d’assainissement.

10 - Éloigner les espaces verts et les plantations par rapport aux ouvrages notamment ceux à grande consommation d’eau.

V - RECOMMANDATIONS RELATIVES A LA

CONCEPTION DES OUVRAGES :

- Les constructions implantées sur des sols gonflants doivent

être capables de dissiper l’énergie due aux mouvements de gonflement de manière à limiter le transfert de cette énergie dans les éléments non structuraux comme les cloisons.

- Néanmoins, il est intéressant de classer les solutions en fonction du degré de gonflement exprimé en centimètre (cm) de soulèvement.

- Les présentes dispositions demeurent préventives, elles n’annulent pas les effets du gonflement des argiles, mais elle le limite. Cependant, les solutions définitives existent mais leur coût reste une contrainte insurmontable pour les constructions légères du type RDC ou (R+1.)

V.1- Prescriptions techniques générales :La construction sur les sols réputés gonflants nécessite la prise en

compte des règles élémentaires suivantes aux fins de minimiser les effets néfastes :

• Suppression de toute arrivée ou retrait d’eau (Drainage périphérique associé à un système de collecte d’eau souterraine dans le cas des sites en pente).

• Pas de plantations ni d’espaces verts susceptibles d’avoir une influence au niveau des fondations.

• Éviter les flux de chaleur (fours). • Pas de rupture de canalisation, en particulier au passage entre

la construction et l’extérieur. • Éviter les fuites accidentelles (fuites de réservoir).• Imperméabilisation des abords périphériques avec une liaison

souple à la construction.• Pose d’une membrane imperméable sous les remblais

éventuels servant d’assise aux dallages inférieurs.

a - Solution Type S1

• Cette solution adaptée aux constructions sur sols faiblement gonflants, consiste à réaliser l’ouvrage d’une manière tout à fait courante en étanche issant les sales d’eau et en les surélevant de 20cm par rapport au niveau du sol.

• Cette dernière disposition vise à augmenter les pentes d’écoulement.

• Néanmoins, toutes les recommandations concernant la bonne conception et la bonne réalisation doivent être scrupuleusement respectées.

TRAITEMENT DU TYPE S1

b- Solution Type S2 :

• Il s’agit de la substitution de sol en profondeur par un remblai peu perméable et insensible à l’eau. Ceremblai doit être compacté par couches successives d’épaisseur maximale 30cm jusqu’à atteindre un indice CBR de 20 à 30.

• Le remblai débordera de 1m au minimum des limites de la construction et sera sur élevé de 20 cm par rapport au terrain naturel.

• Avant de remblayer, couvrir l’excavation par un film en polyane qui assurera la fonction d’une membrane

étanche du moins pendant le compactage du remblais.

Traitement du type S2

c- Solution Type S3 :

• Cette solution prévoit un remblai inerte plus important (1,50m à2m) surélevé de 20 à 40 cm par rapport au niveau de chaussée.

• Un vide sanitaire est prévu en infrastructure. Les fondations doivent être reliées par un réseau de longrines assez rigidesdimensionnées en flexion. Le remblai doit être fini par des pentes vers l’extérieur comme s’il s’agissait des pentes évacuant les eaux de pluie dans une terrasse.

• Le vide sanitaire doit avoir une hauteur suffisante pour permettre le décoffrage.

• Toutes les autres précautions prévues dans la solution S1 doivent être vérifiées.

TRAITEMENT DU TYPE S3

VI. TYPOLOGIES DES FISSURES DUES AU GONFLEMENT DIFFERENTIEL :

Quand une fondation posée sur un sol gonflant dont la teneur en eau est modifiée, elle commence un mouvement ascendant entraînant avec elle toutes les parties de la structure qu’elle supporte directement.

Les conséquences du gonflement différentiel d’un sol sont

reconnaissables à travers la typologie des fissures qu’on

observe et qui affectent les constructions de manière

systématique en présence d’eau. Autrement dit, les

conséquences de ce mouvement différentiel sont des fissures

obliques touchant le panneau de façade quand il s’agit d’une

fondation de rive ou deux (02) à quatre (04) panneaux quand il

s’agit d’une fondation d’angle ou centrale.

• Il y’a lieu de préciser que ces fissures sont

caractérisées par leur inclinaison à 45 degrés par

rapport à l’horizontal. Elles se caractérisent également

par leur convergence systématique vers l’endroit ou

le sol a été humidifié.

• Quand le potentiel de gonflement n’est pas

important, les déplacements différentiels qu’il engendre

peuvent être absorbés par la structure sans pour

autant affecter les cloisons par une quelque fissuration.

VI. 1 AUTRES CONSEQUENCES DU GONFLEMENT DE SOLS :

D’autres conséquences peuvent être observées à la suite d’un gonflement du sol sous une construction. Les conséquences ne sont pas toujours systématiques et se résument comme suit :

• Les portes et fenêtres ne ferment plus.

• (Cette conséquence est aussi observée à la suite d’un tassement).

• Gonflement et fissuration du plancher bas.

• Difficultés dans l’évacuation des eaux vannes à cause de la pente d’écoulement qui devient quasi nulle suite au gonflement.

• Une fissuration dans les cloisons éloignées de la source de gonflement due au mouvement général de la structure.

Il est clair que le traitement de ces effets n’aura aucun sens tant que l’origine de cette pathologie n’est pas éliminée.

TYPE DE FISSURES DUES AU GONFLEMENT

FISSURES INCLINEES SUR LES CLOISONS.

VI.2 REMEDES : (Résumé)

• Exiger des études de sol détaillées.

• Maintenir un taux d’humidité naturel du sol par protection extérieure (Drainage périphérique, imperméabilisation, étanchéité anticapillaire).

• Recherche de niveau d’assise de fondations insensible aux variations de température et d’humidité (un ancrage min de 1,50 m sous réserve d’atteindre le bon sol.)

• Assurer une meilleure rigidité de l’ouvrage (infrastructure) dimensionnement sous l’action des pressions de gonflement.

• Éviter les dallages sur terre pleine, privilégier les vides sanitaires avec

voile périphérique étanche ou la substitution de sol.

• Adopter un système d’évacuation (AEU- DEP) souple.

• Proscrire la proximité des arbres et arbustes D > hauteur de l’arbre.

• Prendre en considération les phénomènes de solifluxion engendrés par le

retrait- gonflement des sols dans les terrains en pente.

VII. Conclusion

Le gonflement des sols est un phénomène fort complexe qui fait

intervenir un grand nombre de paramètres. Les désordres qui en résultent

sur les constructions sont parfois irréparables et leur reprise en sous œuvre

est souvent lourde et coûteuse. A cet effet, la prise en compte de ce

phénomène au stade de la conception de la structure et l’étude

géotechnique détaillée avec mesure des différents paramètres Physico-

mécaniques gouvernant le comportement du sol est une nécessité absolue.

- Les méthodes de traitement développées dans les laboratoires

de recherche sont d’une application limitée et se chiffrent à des coûts

élevés.

- L’application des dispositions constructives énumérées

précédemment contribue également à la réduction voire l’annulation des

effets du gonflement des argiles sur les constructions.

QUELQUES DTAILS CONSTRUCTIFS Extraits du guide BRGM sur la

Construction Économique sur Sols Gonflants