Traitement du sol par colonne ballastées

II.2.1.2. Techniques de mise en oeuvre :

Deux procéder de mises en uvre :

· par voie humide.

· par voie sèche.

Colonnes exécutées par voie humide

La mise en uvre en colonne ballastées par voie humide, dite aussi par vibro-substitution consiste à :

· réalise un forage par auto-fonçage et lançage à l'eau jusqu'à la profondeur désignée ;

· remonter le vibreur, avec parfois des ramonages successif, et laisser tomber gravitaire ment le ballast dans le forage préalable ;

· Compacter le ballast par passes successives jusqu'à la finition de la colonne.

Réalisation des colonnes ballastées en voie humide sur la plateforme d'assise du futur remblai
(SNTF - Liaison ferroviaire Oran / Hassi bounif /Tronçon Sebkha)

Colonnes exécutées par voie sèche :

La réalisation des colonnes ballastées par voie sèche, dite encore par vibro-refoulement consiste à :

· auto foncer le vibreur directement dans le sol par renflement jusqu'à la profondeur désignée ;

· remonter progressivement le vibreur tout en laissant descendre par gravité et par pression d'air, le ballast approvisionner par chargeur dans une benne coulissant le long du mât ;

· compacter le ballast par passes successives de l'ordre de 0,5 m jusqu'à finition de la colonne.

L'atelier de colonnes ballastées voie sèche
(Construction d'une Fromagerie BEL à Kolea)

Colonnes ballastées pilonnées (« pieux de gravier Franki ») :

La réalisation des colonnes ballastées pilonnées nécessite les étapes suivantes :

· confection du bouchon de battage « Franki » à l'aide du gravier ;

· battage au fond du tube avec dameur intérieur ;

· expulsion du bouchon de gravier ;

· réalisation de la colonne par damage de charges de gravier et extraction du tube ;

· finition de la colonne.

La technique des colonnes ballastées pilonnées du procédé « Franki » garantit la réalisation d'une colonne compactée énergiquement et dont le diamètre varie en fonction de la qualité du gravier apporté.

II.2.1.3. Mode opératoire :

Figure 08: les différentes étapes de réalisation des colonnes ballastées pilonnées.

1- Préparation :

La machine est mise en station au-dessus du point de fonçage, et stabilisée sur ses vérins. Un chargeur à godet assure l'approvisionnement en agrégats.

2- Remplissage :

Le contenu de la benne est vidé dans le sas. Après sa fermeture, l'air comprimé permet de maintenir un flux continu de matériau jusqu'à l'orifice de sortie.

3- Fonçage :

Le vibreur descend, en profondeur latéralement le sol, jusqu'à la profondeur prévue, grâce à l'insufflation d'air comprimé et à la poussée sur l'outil.

4- Compactage :

Lorsque la profondeur finale est atteinte, le vibreur est légèrement est légèrement remonté et le matériau d'apport se mis en place dans l'espace ainsi formé. Puit le vibreur est redescendu pour expanser le matériau latéralement dans le sol et le compacter.

5- Finition :

La colonne est exécutée ainsi, par passe successives, jusqu'au niveau prévu. Les semelles de fondation sont alors réalisées de manière traditionnelle.

II.2.1.4. Avantage du vibreur à sas :

- Le matériau d'apport arrive directement à l'orifice de sortie, ce qui assure la continuité de la colonne

- Le compactage se fait en une seule passe

- Il n'y a pas de risque d'éboulement du forage dans les sols instables

- Les vibreurs guidés montés sur porteurs garantissent la parfaite verticalité des colonnes

II.2.1.5. Limite du domaine d'application : -Sols concernés :

Les colonnes ballastées sont réalisées dans les sols mous non organique (argile , limon) , dans les sables fins argileux et / ou limoneux décomprimés et dans les remblais anthropiques inertes ( non « poubelliens » ) et qu'elles sont proscrites dans les sols organiques (tourbe , vase organique) et les matériau de décharge en raison de leur comportement évolutive dans les temps .La stabilité de la colonne est assurer par le confinement qu'exerce latéralement le sol qui doit présenté une étreinte latérale suffisante .

Le tableau II-1 détaille les sols concernés par l'amélioration des sols par colonne ballastée et les résistances latérales (étreinte latérale) que peut offrir le sol pour la stabilité de la colonne. Ces données sont recoupées avec les informations recueillies auprès des entreprises françaises spécialisées et celles disponibles dans la littérature.

Sols	Faisabilité	Etreinte latérale				Remarque
		PL (kPa)	qc (MPa)	Nspt (coups)	Cu (kPa)
Argile	Oui	150-400	0,6-1,2	4-6	25-50	-
Liment	Oui	150-400	0,6-1,2	4-6	25-50	-
Sable fin lâche	Oui	150-400	0,6-1,2	4-6	-	-
Tourbe	Non	-	-	-	-	Matériau évolutif
Autres sols organiques	Non	-	-	-	-	Matériau évolutif
Remblai inerte	Oui	200-500	0,6-1,6	-	-
Décharge	Non	-	-	-	-	Matériau évolutif

Tableau 02 : champ d'application des colonnes ballastées : nature et résistance des sols Autre types des colonnes :

1. Colonnes à module contrôlé (CMC):

Il est courant de renforcer des sols de fondation compressibles par des inclusions granulaires du type colonnes ballastées; cette technique atteint toutefois ses limites, soit lorsque le sol encaissant est trop mou ou organique et n'offre donc pas d'étreinte latérale suffisante, soit lorsque le facteur de réduction des tassements est trop faible en raison de charges très élevées.

C'est pourquoi une nouvelle technique a été récemment développée dite «colonnes à module contrôlé », consistant à renforcer le sol par des inclusions semi-rigides cimentées. Ces colonnes sont mises en oeuvre par une tarière particulière, motorisée par de puissants équipements, qui refoule le sol latéralement pratiquement sans remontée de terre ni vibrations. Durant la remontée de l'outil, un mortier spécialement formulé est injecté, dont le module de déformation se situe entre celui du ballast compacté et celui du béton de pieu classique.

La colonne à module contrôlé :

Les inclusions verticales répondent au souci de réduire les tassements sous les fondations et de les homogénéiser à l'échelle du massif traité.

Cette méthode de fondation trouve son prolongement actuel de façon économique et sophistiquée dans la technique des colonnes à module contrôlé (CMC), qui sont des inclusions semi-rigides.

Présentation des Colonnes à module contrôlé :

Les CMC sont des inclusions semi-rigides dont le module de déformation à long terme se situe entre le module du béton de pieux et le module des colonnes ballastées. Selon les formulations, ce module varie de 500 à 10 000 MPa.

La solution des CMC ne vise pas à réaliser des pieux devant supporter chacun directement la charge de l'ouvrage, mais à réduire la déformabilité globale du sol à l'aide d'éléments semi- rigides régulièrement répartis et en densité suffisante.

Le dimensionnement des CMC se base sur la recherche d'une répartition des efforts entre les colonnes et le sol encaissant en fonction du tassement admissible pour le projet.

Les CMC présentent les caractéristiques suivantes :

· Procédé de réalisation : Matériau cimenté mis en place à la tarière creuse

· Module de déformation : de 100 à 2 000 fois celui du sol

· Méthode de traversée du sol : à la vis refoulante, sans déblais

· Effet sur le sol : Amélioration des terrains entre les colonnes si elles sont assez rapprochées

· Diamètre des colonnes : diamètre de l'outil de forage

· Fabrication du matériau : en centrale

Les CMC permettent en particulier de fonder les ouvrages dans les cas qui ne pouvaient être traités par les inclusions souples et notamment :

· Sol trop lâche ou trop mou (manque d'étreinte latérale pour les inclusions souples)

· Sol tourbeux ou organique ou remblais divers (évolution incontrôlée de l'étreinte latérale)

· Charges très élevées

· Tassements admissibles très limités.

Tout comme les inclusions souples, les colonnes à module contrôlé permettent de réaliser des dallages sur terre-plein grâce à la mise en place d'une couche de répartition en tête des inclusions.

Elles permettent également de reprendre les semelles de fondation ou des radiers à l'exclusion des efforts horizontaux et de soulèvement.

D'autre part, les CMC présentent l'avantage de ne pas générer de vibrations ce qui permet de travailler en toute sécurité le long d'ouvrages mitoyens.

Méthode de réalisation des colonnes à module contrôlé :

Les colonnes à module contrôlé sont réalisées par refoulement du sol et sans déblais à l'aide d'un outil creux permettant l'alimentation des colonnes par la pointe. Il s'agit en général d'une vis refoulante.

Les engins employés sont spécialement conçus pour développer conjointement une poussée sur l'outil particulièrement élevée, ainsi qu'un fort couple, de façon à refouler les sols latéralement au cours de la pénétration de la vis.

Celle-ci est vissée dans le sol jusqu'à la profondeur désirée puis lentement remontée sans déblais. Un mortier fluide est libéré au cours de la remontée dans la cavité de sol par l'âme de la vis spéciale, de façon à constituer une colonne de 40 à 50 cm de diamètre (figure 9).

Figure 9. Schéma de réalisation des CMC

Ces colonnes sont réalisées après mise en place d'une plateforme de travail de 30 cm en bons matériaux. Le dispositif opératoire proposé à sec et sans extraction de terre, n'entraîne pas de pollution significative de la plate-forme.

Les colonnes sont contrôlées par enregistrement des paramètres d'injection ainsi que la prise d'échantillons pour essais d'écrasement.

Les paramètres enregistrés et imprimés sur les fiches de contrôle comprennent :

· Les vitesses d'avancement et de rotation en descente

· Le couple de rotation en descente

· La pression et le volume de mortier injecté

Le profil des colonnes est dérivé de ces paramètres.

2. Colonne à module mixte (CMM):

Une CMM se décompose en deux parties:

· En partie supérieure : une colonne ballastée de l'ordre de 1,50 m de hauteur,

· En partie inférieure : une inclusion rigide exécutée par refoulement.

Le procédé a pour objet d'améliorer les performances du sol de fondation d'ouvrages fondés superficiellement en répondant aux spécifications suivantes :

· Réduction des tassements.

· Reprise des efforts horizontaux et des moments sans réaliser de matelas intercalaire sous les semelles.

· Augmentation de la capacité portante du sol.

· Suppression du phénomène de point dur.

De plus, le procédé a pour avantage de s'affranchir des risques de rupture inhérents aux inclusions rigides arasées au niveau ou légèrement en dessous de la plateforme de travail dans les cas suivants :

· Circulation des engins de chantier lors du nivellement et compactage des plateformes.

· Terrassement et remblaiement des réseaux dans l'emprise du traitement.

· Terrassement des fouilles de semelles.

Colonne ballastée Zone de recouvrement Inclusion rigide

Figure 10 : Coupe d'une Colonne à Module Mixte CMM 3. Plots ballastés :

Le principe de la substitution dynamique est le renforcement du sol par la création de colonnes de 2 à 3 mètres de diamètre, en matériaux granulaires très compactés. Les colonnes ainsi formées sont appelées plots ballastés pilonnés. La mise en oeuvre s'effectue à l'aide d'engins spécialisés, proches de ceux utilisés pour le compactage dynamique. Les deux techniques sont fréquemment employées de manière complémentaire sur les mêmes chantiers.

Figure 11. Engin réalisateur des plots ballastés

Les plots ballastés vont pénétrer dans le sol par pilonnage, à l'aide d'une masse de 15 à 30 tonnes, en chute libre de 10 à 30 mètres. L'emplacement du plot est préparé par une pré- excavation qui va être partiellement remplie d'un bouchon de matériaux que le pilonnage fera descendre à la profondeur voulue. Le plot est ensuite rechargé puis compacté par phases successives.

Figure 12. Plot ballasté avant remblaiement

Figure 13. Plots ballastés - Exemple de coupe type

Charges appliquées et tolérances imposées :

Les colonnes ballastées sont utilisées pour des fondations sous remblais (d'accès et de surélévation), des radies et dallages (station d'épuration et bâtiments industriels) et des fondations superficielles de bâtiments essentiellement de logistique et parfois d'habitation.

Les remblais, les radiers et les dallages apportent généralement des charges réparties sur de grandes surfaces ; mais des efforts plus concentrés (appuis des systèmes de stockage, par exemple) peuvent entraîner des charges localisées qui, en particulier sous les radiers souples et les dallages, nécessitent un examen détaillé des tassements différentiels pour s'assurer de la stabilité de la structure. Pour les fondation superficielles (isolées ou filantes), les descentes de charges apportées par les poteaux sont ponctuelles et concentrent les contraintes sous la base de la semelle. Là aussi, l'examen détaillé des tassements différentiels entre semelles s'impose.