07-amlioration des sols par colon
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1
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
2
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
5
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
7
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
8
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)
9
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
10
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
16
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
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