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Conception et réalisation des travaux d’injection des sols et roches

Michel CHOPIN GEOMECHANICAL CONSULTING INTERNATIONAL

AFTES GT8 - Conceprion et réalisation des tvx Injection des sols et roches 10-02-2015

1

DELEGATION REGIONALE ILE DE FRANCE

Les mardis de l’AFTES

2 Historique

L’injection est une technique employée pour la consolidation et l’étanchement des sols et du rocherdont l’essor date de1920 avec la construction des ouvrages hydrauliques. A ses débuts en 1802(C.Bérigny), l’injection consistait en des mélanges mortiers mis en œuvre de façon quasi gravitairepour le comblement de cavités souterraines.

L’injection est devenue, progressivement une méthode de traitement des fondations, mais c’est lacontribution remarquable du Professeur Lugeon, qui avec à la caractérisation hydraulique desmilieux fissurés, permit d’identifier le comportement et l’influence des suspensions de ciment(Suspensions instables).

Mais c’est beaucoup plus tard, en 1938 (A.Mayer) que les coulis d’argile ciment (Supensionsstables) ont été employés pour le traitement des alluvions. Parallèlement se développe l’usage dusilicate de soude, initialement employé comme technique de traitement d’acquifères (Silicate +Aluminate de soude – Procédé Joosten), avec le développement des mono et diesthers (thèse dedoctorat C.Caron).


3

C’est le début du développement des gels de silice (Gels durs) dont l’emploi généralisé pour laconsolidation des alluvions en France –Métro & RER A (Traversée Seine La Défense, Station Auber1975) en Europe Métro de Vienne, puis dans le monde Métro du Caire 1985.

La démarche conduite par H. Cambefort, qui dans son ouvrage (Injection des sols Eyrolles-1964)proposait une interprétation du mode de fonctionnement des travaux d’injection, dérivée del’hydraulique souterraine (critères de traitement, comportement rhéologique des matériaux etapplication à la conduite des travaux d’injection), constitue la première approche didactique.

L’AFTES poursuit cette démarche et le groupe de travail GT8 publie (Revue TOS juillet/août 1975) unpremier recueil de recommandations concernant les travaux d’injection. Cet ouvrage, qui a mobiliséde nombreux intervenants, Entreprises Spécialisées et Fournisseurs de la chimie, dresse un état del’art en développant largement la connaissance des gels de silice.

Eu égards à la production de micro-ciments, de nano-silices, mais également, aux restrictionsd’emploi des produits chimiques, liés aux directives et normes environnementales (1990-2000), quiobligent à reconsidérer les produits et techniques utilisables pour le traitement de terrain, le groupede travail GT 8, de l’AFTES, a présenté en 2006, une nouvelle recommandation concernant laconception et la réalisation des travaux d’injection, revue TOS n°194-195 (2006).


Au-delà des éléments techniques, complétant la recommandation publiée en 2006, cette refontedu texte vise à améliorer la présentation concernant l’approche théorique et technique,notamment en ce qui concerne les exigences en termes de diagnostic géotechnique ouhydraulique, qui vont conduire à la définition des objectifs à atteindre, (transmissivité et modulede déformabilité des terrains traités), afin de clarifier la demande et la responsabilité confiée auxentreprises.

la recommandation s’articule selon la structure suivante:

0- Préambule1-Domaine d’utilisation et limite d’emploi2-Etude de Diagnostic et Projet3-Matériaux et méthodologie4-Matériels et mise en en ouvre5-Méthodes de contrôle et qualité6-Mode de rémunération

Annexes

AFTES GT8 - Conceprion et réalisation des tvx Injection des sols et roches 10-02-2015 4

Etudes préalablesInvestigations et Diagnostic ouvrage

5

CONFÈRE NORMES 94500

Les études de conception et définition des travaux géotechniques spéciaux(Injections et/ou alternatives) comportent en principe deux étapes :

Etude de faisabilité - Diagnostic géotechnique et hydrogéologique – DIAG

(Missions géotechniques –G12).

Projet Détaillé PRO

(Missions géotechniques G2)


Caractérisation géotechnique et hydrogéologique du terrain6


Caractérisation géotechnique et hydrogéologique du terrain


7


8Karstification des formations calcaires


9 Karstification des formations calcaires

Forage & injection descendante


10

Injection Multi grout


11

Grout takes - absorptions


12

BLS LÖTSCHBREG


13

Le modèle théorique


14

Projet / Design : BLS LÖTSCHBERG Tunnel - Ferden

15AFTES GT8 - Conceprion et réalisation des tvx Injection des sols et roches 10-02-2015

16Le choix des matériaux


17Galerie & Puits : CLEUSON DIXENCE TVX 2005


Zone de rupture de l’ouvrage


18

Profil géologique de l’ouvrage


19

Contexte géologique détaillé


20

Moyens techniques - Forage


21

Moyens technique taraudage


22

Le matériel et équipements


23

Reconnaissance géotechnique et hydrogéologique


24


25

Plot d'essai de PérouaEssais Lugeon : état 1; forages est

0.4

21.6

0.5

18.4

0.7

18.7

0.9

2.3

0

5

10

15

20

25

Zone 3(PM 325.50)

Zone 2(PM 310.50)

Zone 1 (PM 298.50)

Zone 1 (PM 292.50)

Uni

té L

ugeo

n

T1 (1.5 - 3.0 m)T2 (3.0 - 4.5 m)T3 (4.5 - 6.0 m)T4 (6.0 - 7.5 m)

Essais Lugeon – état 1

Plot d'essai de PérouaEssais Lugeon : état 2; forages radier

2.92

9.3

24.1

0

5

10

15

20

25

Zone 3(PM 325.50)

Zone 2(PM 313.50)

Zone 1 (PM 298.50)

Zone 1 (PM 292.50)

Uni

té L

ugeo

n

T1 (1.5 - 3.0 m)T2 (3.0 - 4.5 m)T3 (4.5 - 6.0 m)T4 (6.0 - 7.5 m)

Plot d'essai de PérouaEssais Lugeon : état 2; forages Ouest

2

4.5

6.8

1.3

0

5

10

15

20

25

Zone 3(PM 325.50)

Zone 2(PM 313.50)

Zone 1 (PM 298.50)

Zone 1 (PM 292.50)

Uni

té L

ugeo

n

T1 (1.5 - 3.0 m)T2 (3.0 - 4.5 m)T3 (4.5 - 6.0 m)T4 (6.0 - 7.5 m)

Essais Lugeon – état 2


26

Traitement phase 1


27

Phase de traitement n° 1Volumes utiles injectés par auréole

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 60033

0.00

327.0

0

324.0

0

321.0

0

318.0

0

315.0

0

312.0

0

309.0

0

306.0

0

303.0

0

300.0

0

297.0

0

294.0

0

291.0

0

288.0

0

285.0

0

282.0

0

Position des auréoles de traitement [m; PM 0.00 = point F6.2]

Volum

es in

jectés

[litre

s]

V utile injecté par auréole V utile moyen injecté V théorique moyen par auréole

Hypothèses : vides auréolaires de 2 mm à l'extrados du blindage et

de 1 mm à l'intrados des voussoirs

volume exédentaire

Volumes utiles injectés dans le plot d'essai 4500 litres

Annexe 6.a

281 litres par auréole


Traitement phase 2


28

Phase de traitement n° 2Volumes utiles injectés par auréole (phase 2 + phase 1 exédentaire)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

330.

00

327.

00

324.

00

321.

00

318.

00

315.

00

312.

00

309.

00

306.

00

303.

00

300.

00

297.

00

294.

00

291.

00

288.

00

285.

00

282.

00


Volu

mes

injec

tés [

litres

]

V utile injecté par auréole phase 2

V utile exédentaire moyen phase1

V réel moyen injecté par auréole (0.54%)

V théorique moyen par auréole phase 2 (3%)

Volumes utiles injectés dans le plot d'essai: 5053 litres

Exédentaire phase 1: 2911 litresInjection phase 2: 2142 litres

Annexe 6.b



Traitement phase 3 & 4


29

Phases de traitement n° 3 et n°4Volumes utiles injectés par auréole

0

1 000

2 000

3 000

4 000

5 000

6 000

7 000

8 000

9 000

10 000

330.

00

327.

00

324.

00

321.

00

318.

00

315.

00

312.

00

309.

00

306.

00

303.

00

300.

00

297.

00

294.

00

291.

00

288.

00

285.

00

282.

00


Volu

mes

inje

ctés

[litr

es]



V théorique moyen par auréole (3%)

V théorique moyen par auréole (0.5%)

V réel moyen injecté par auréole (0.16%)

9'402 litres par auréole


1'567 litres par auréole

Le choix des matériaux


30

Propriétés générales des coulis d'injection.

Caractéristiques rhéologiques et physiques à l’état liquide

(Viscosité, granularité, stabilité).

Caractéristiques mécaniques à l'état solide

(résistance, module, Pérennité).

31


Coulis à base de liant hydraulique Ciment CEMI – III + charges + AdjuvantsCiments Ultra-fins – Micro charges

32


Coulis Chimiques Silicate de sodium - Nano silicates –Résines Acrylates

33


Caractérisation rhéologiques des coulis pour injection34


Rhéogramme des coulis35

la viscosité plastique, exprimée en mPa.sle seuil d’écoulement, exprimé en Pa

la thixotropie, exprimée en Pa


Loi d’écoulement fluide (newton) :

=

0

3

ln..6

..

rR

PeQη

π

36

Loi d’écoulement fluide de Bingham:

( )

−

−

=

erRP

rR

eQ 00

0

3 '2

ln..6

. τ

η

π


Rhéogramme viscosimètre FANN300 = angle de déviation 300 t/min600 = angle de déviation 600 t/min

Mesure de viscosité et seuil de cisaillement

37

En Laboratoire :


Mesure du seuil de cisaillement38

Sur chantier :


l'appareil utilisé est un cône d'écoulement

type Marsh Ø =4.75mm

type LCPC Ø =8 & 10mm

39Sur chantier :


Ajustement de la viscosité des suspensions de ciment40


Propriétés physico-chimiques des coulis

Le contrôle de la densité s’effectue sur chantier à l’aide d’une balance type Baroïd

41


Ajustement de la stabilité des suspensions de ciment

La ressuée est mesurable en % - Ressuée = 100 x V/Vo

0

10

20

30

40

50

60

0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5

C/E

Res

suée

(%)


Ajustement de la stabilité des suspensions de ciment

contrôle de la perte d’eau Filtre presse Baroid43


Réduction de la sensibilité à l'essorage par emploi d’adjuvants et de charges

0

40

80

120

0 2 4 8 16

Racine du temps (min)

Filtr

at (m

l)

BC + Peptisant + Polymères

Bentonite Ciment (BC)

BC + Peptisant

44


Injectabilité des coulis de ciment

L’injectabilité des milieux poreux est déterminée par la granularité des suspensions

Injection de milieux poreux granulaires :

15< [(D15 (terrain)/ d85(coulis)]<30

Injection de milieux fissurés : ~>3d85 -

45


granularité des coulis46 D85


Granularité / Perméabilité / Injectabilité47

Corrélations de HAZEN- KOZENI ou SHERARD

K= (D10)2 k= a(DI5)2.10-2


48

Contrôle de la Perméabilité et test d’ InjectabilitéSur chantier


Contrôle de l’injectabilité

AFTES GT8 - Conceprion et réalisation des tvx Injection des sols et roches 10-02-2015 49

Temps de prise - Durée d'utilisation -

Le temps de prise d'une suspension de ciment correspond à la période au cours de laquelle le seuil de rigidité évolue jusqu'à ce qu'il atteigne une valeur telle qu'elle interdise son écoulement par simple gravité, soit environ 100 Pa.

Suspensions de ciment

Durée pratique d'utilisation (D.P.U.)

Coulis chimiques.

Influence de la température.!!!

50


Rigidité et temps de prise

Coulis bentonite-ciment

Type Rigidité ou cohésion (Pa)

Temps(H)

Seuil de cisaillement initial 5 à 50 -Début de prise 100 à 500 5 à 8


Coulis à base de produits chimiques

Type Temps de prise réglable (20°C)

Résine acryliques qq secondes à 5 heures

Résines phénoliques 1 heure à 48 heures

Résines époxy 30 min à plusieurs heures

Résines polyuréthanes qq minutes à plusieurs heures

Gel de silice 10 min à 2 heures


Influence de la température sur le temps de prise

1

10

0 10 20 30

Ecart de température (°C)

Coe

ffici

ent m

ultip

licat

eur

Résine

Gel de silice dilué

Gel de silice concentré

Ciment

53


Caractéristiques de liant hydrauliqueRc/Rt

Résistance mécanique

0,1

1

10

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

C/E

Rc

28 (M

Pa)

CEM IIIC 32,5

CEM IIIB 32,5

CEM I 52,5

CEM IIB 32,5


Mesure de la perméabilité

55

la perméabilité intrinsèque du coulis est de l’ordre de k = 10-7 m/s à 10-8 m/s.

la perméabilité résiduelle d'un terrain traité est au mieux de l’ordre de: k= 10-6 m/s,


56

Consolidation alluvions Anciennes Voûte METEOR D3M10 (ouverture 17.00m)


Pérennité des coulis

Liants Hydrauliques:

Ciments CEMI : Inhibiteurs de prise,

Agressivité de l'eau et des effluents

Coulis chimiques

Gels de Silice : Synérèse ,

Résines Acrylate : Déshydratation – Retrait

Nanosilice: Déshydratation – Retrait


CONDITIONS LIMITES D‘ EMPLOI DES RESINES OU PRODUITS TOXIQUES58

Risque : Dilution des produits avant la prise - Toxicité des composants

Niveau 1 : Rejet dans le réseau d’assainissement (ex. pompage de fond de fouille, traitement des collecteurs d’eaux usées, etc …) ;

Niveau 2 : Rejet dans le milieu naturel (voile d’étanchéité, tunnel, etc…) ;

Niveau 3 : Rejet à proximité on destinée au captage ou au transport des eaux potables.

Ces trois degrés de plus en plus contraignant déterminent le choix des matériaux d’injection en fonction du niveau de risque vis-à-vis des eaux souterraines.


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