fi ssu ration longitudinale des chaussées

par

Affonso Rico Rodriguez

Dans plusieurs pays d'Amérique latine, d'Afrique etd'Asie, il est fréquent d'observer une rupture caracté-ristique des nouvelles routes ou des routes reconstrui-tes, élargies ou aménagées pour les exigencescroissantes du trafic routier. Cette rupture est mise enévidence par la formation de fissures, très rapprochéesles unes des autres, qui se développent systématique-ment à 1 ou 2 mètres des bords du remblai près de lasurface de roulement. Ces fissures s'étendent longitu-dinalement sur des centaines de mètres, voire sur deskilomètres, suivant une direction régulière générale-ment des deux côtés de la route.

Si I'on ne prend pas des mesu res préventives, lalargeur et la profondeur de ces fissures augmentent etd'autres fissures peuvent apparaître parallèlement auxpremières. L'effet de I'eau de pluie qui remplit cesfissures est probablement la cause principale de leurdéveloppement qui a pour résultat la rupture des taluspar la pression hydrostatique de I'eau. Un effetsecondaire d'importance est la destruction de I'unifor-mité de la surface du remblai par désintégration deslèvres des fissures. ll a été observé également que cesfissures ont une tendance à se propager vers le centrede la chaussée, détru isant ainsi la su rface deroulement. En résumé, les fissures longitudinalespeuvent détruire une route si des mesures correctivesne sont pas prises à temps.

ll a déjà été dit que cette détérioration peut êtreobservée aussi bien sur les nouvelles routes que surcelles qui oht été reconstruites, renforcées ou élargies.Dans ce dernier cas, la fissuration est due à l'influencedu compactage.

En ce qui concerne I'Amérique latine, et dans la limitede I'expérience personnelle de l'auteur, le compactagea été très peu ou pas du tout employé dans laconstruction routière. Au Mexique, par exemple, lapremière route compactée a été réalisée en 1950. De cefait, une grande proportion des anciennes routes,modern isées ou élarg ies de n os jou rs, ont étécompactées d'une façon très insuffisante. ll est bien

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connu que le compactage augmente la tendance dessols fins (ou des sols ayant une grande proportion departicules fines) à la fissuration. En conséquence onpeut observer actuellement des f issu res su r leschemins aménagés ou modernisés et qui ont été mis enservice depuis plus de 25 ans sans avoir jamais montréde fissuration longitudinale apparente. ll est évidentque l'élargissement et le renforcement sont faits avecdes techniques modernes de construction qu'onconsidère comme adéquates. De tels accidentsengendrent évidemment des inconvénients structurels,mais, et c'est peut-être plus important, ils remettent enquestion les nouvelles technologies et les techniciens,car des chemins modestes avec des niveaux de serviceacceptables sont ruinés lorsqu'on essaie de les réparerou de les remplacer par d'autres de meilleureapparence ou plus larges et qu i sont détru itsrapidement.

Pour mieux comprendre les causes fondamentales duproblème de fissuration longitudinale, il est nécessairede faire u n aperçu de l'évolution des politiques decompactage des sols en Amérique latine et fairequelques remarques sur les matériaux utilisés pour laconstruction routière.

ll y a à peine 30 ou 35 ans, les ingénieurs pensaient quele compactage des remblais n'était pas nécessaire.Quelques-uns d'entre eux considéraient le compac-tage comme une technique à la mode dont le coût necorrespondait en aucun cas au profit qu'on en tirait. Enfait cette technique a été considérée comme exotiqueet soumise à I'opposition naturelle aux nouveautés. llest clair que cette attitude ne pouvait pas du rerlongtemps et le compactage a été rapidement acceptéà tous les stades en devenant une méthode essentiellepour la construction des routes. La définition initialedu compactage comme une méthode d'améliorationde la densité des sols, ajoutée à la méconnaissance desdiverses méthodes de compactage, ce qu i est trèscourant spécialement pour les personnes qui travail-lent sur chantier, ont fait évoluer les façons de penser

et on a atteint ce qu'on peut appeler r l'âge ducompactage à tout prix ". On avait l'idée que plus unmatériau est compacté, meilleures sont les propriétésque I'on peut en tirer, indépendamment de toute autreconsidération. Le compactage n'était pas utilisécomme une des méthodes pour améliorer le comporte-ment mécanique d'un sol, mais très souvent il était,malheureusement, la seule qui soit prise en compte.

On doit citer une autre condition importante pourdéfinir I'environnement de la construction routière enAmérique latine. Les réseaux nationaux supportaienttraditionnellement dês niveaux de trafic très bas; denos jours la situation a changé et au Mexique, parexemple, il y a des autoroutes représentant moins de25 "/" du réseau total, avec un trafic journalier de plusde 20000, 50000 et même 150000véhicules. Dansd'autres pays d'Amérique latine le trafic est encore pluspetit et il est fréquent de faire les projets de routes pourun trafic estimé à 500 à 1 000 véhicules par jour.

D'autre part, on est très conscient du rôle social etpolitique joué par les transports dans les pays en voiede développement. Cette prise de conscience oblige àrechercher essentiellement la minimisation du prixinitial des travaux, car on sait bien qu'il y a beaucoup àfaire pour soulager toutes les déficiences ancestralesde l'état social. On peut penser que ce critère vise troploin avec des conséquences sévères car, malgré legrand soin apporté au coût initial des autoroutes, onnéglige d'autres aspects importants tels que I'entretienet I'exploitation. Dans des pays comme le Mexique,avec un développement extrêmement croissant, cecritère a conduit à un réseau routier non souhaitabledans les conditions actuelles et qui sera une source deproblèmes dans I'avenir où l'on prévoit des trafics etdes charges importants. En conclusion, on voit quedivers aspects n'ont pas été suffisamment considérésdans le projet et la construction des réseaux nationauxde transport, car on a considéré que le point le plusimportant était de minimiser le prix initial de chaqueroute.

Le résultat de cette façon de penser est I'emploi dematériaux de mauvaise qualité, qui ne conviennent paspour la construction des routes. L'utilisation de solstrès plastigues avec des particules fines est couranteet, d'autre part, la pratique du drainage visant àprotéger les massifs de sols des terrassements, ainsique le revêtement, n'est pas très courante. Finalement,I'emploi de sols stabilisés dans les routes est très rare.

Considérons les conséquences de la coexistence deces deux critères.

L'emploi fréquent de matériaux de qualité douteuse etI'idée que le compactage est meilleur lorsque lesniveaux d'énergie appliquée sont plus grands condui-sent à des problèmes d'instabilité volumique sousI'effet de I'eau dans les terrassements, et naturellementà des problèmes de fatigue qui concernent 25 o/o duréseau routier.

C'est dans ce panorama que le problème de lafissuration longitudinale des remblais en Amériquelatine doit être examiné.

Le mécanisme de fissuration a été conçu comme suit.a) En chaque point du sol, préalablement à laconstruction d'une route, il existe un équilibrehydraulique entre l'évaporation superficielle et l'écou-lement d'eau des couches inférieures, soit parcapillarité, soit par remontée de la nappe phréatiquependant la saison des pluies. La précipitation pluvialedans la région est un élément qui participe ainsi à cetéquilibre global.

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b) Le régime hydraulique est modifié lorsque leremblai est construit, empêchant l'évaporation du soljuste sous I'ouvrage. De ce fait la teneur en eau du soldans les zones imperméables tend à augmenter si leclimat comporte une action solaire intense.c) Si le remblai possède une grande proportion departicules fines, la teneur en eau augmentera parinfiltration de I'eau en provenance des couchesinférieures, spécialement pendant les saisons depluies. D'autre part, et surtout pendant la saison sèche,I'eau du remblai s'évapore sous I'effet de I'intenseaction solaire. Ces phénomènes ne sont cependant pasuniformes dans tout le corps du remblai; les talus sontles zones les plus sensibles puisqu'ils sont les plusexposés à I'air, contrairement aux parties centralesplus protégées, surtout lorsqu'il y a un tapis, d'où uneffet différentiel d'évaporation entre les matériaqx quise trouvent sur les côtés et ceux du centre du remblai.ll est courant d'observer pendant la période sèche quela teneur en eau des talus est réduite considérable-ment, tandis que dans la partie centrale elle restepratiquement constante à toute époque; dans certainscas, on a même pu rapporter des augmentations de lateneur en eau des zones centrales en période sèche.d) Lorsqu'un sol ayant beaucoup de particules finesperd son eau par évaporation, il en résulte unprocessus de contraction volumique; l'évaporationdifférentielle est donc accompagnée par son équiva-lent de retrait différentiel. Ce retrait est plus importantdans les talus que dans la partie centrale du remblai, cequi produit des fissures d'autant plus grandes que lessols utilisés sont plus sensibles aux variationsvolumiques par séchage. Si I'on considère une sectiondroite quelconque du remblai, la zone fissuréeapparaîtra quelque part entre le centre et lesépaulements de la route; puisque toutes les sectionsdroites voisines sont dans des conditions similaires, leszones de fissuration seront pratiquement en colnci-dence. Dans la chaussée, considérée globalement,deux zones fissurées longitudinalement apparaîtrontde chaque côté du remblai et dans la même direction.e) Lorsque le dernier mécanisme est raisonnable, lesfissures apparaissent au début de la saison sèched'une façon relativement brutale.f) ll est bien connu que jusqu'à un certain niveauau-dessus de la nappe'phréatique, le sol contient del'eau qui remplit pratiquement complètement les videset à partir de ce niveau le degré de saturation décroîtlorsqu'on s'éloigne de la nappe. Toute cette eauinterstitielle est dans un état de traction décroissanteavec le degré de saturation. En outre, dans la zonepartiellement saturée, il y a de la vapeur d'eau dont lapression peut être réduite par l'évaporation superfi-cielle ou par une chute de la température.

Dans la partie basse de cette zone, près de la limite oùle phénomène capillaire engendre une saturationpresque complète, il y a toujours continuité dans I'eaumais, puisque cette eau ne remplit pas tous les vides,les contraintes effectives ne seront plus égales à ladifférence entre les contraintes totales et la pressioninterstitielle. Dans la partie haute de la zone partielle-ment saturée, I'eau ne présente pas de continuité et ledegré de saturation décroît rapidement vers la surfacedu sol. Les mouvements de la vapeur d'eau dépendrontdu gradient de pression de vapeur qui peut exister. Sila pression de vapeur augmente, par exemple à caused'une montée de la température ambiante, l'eau atendance à remonter, ce qui réduit la couche de solpartiellement saturé. Cependant, en fonction deI'environnement extérieur et du type de sol. du fait que

52

dans la frontière supérieure en contact avec I'air latension capillaire et les conditions sont les mêmes quedans les zones voisines, la distribution de la pressiondans I'eau est plus grande que celle qui correspondaità une loi linéaire et est seulement équilibrée par unéréduction du rayon des'.rtrénisques d'eau entre lesgrains. Un écoulement continu vers la surface d'établitainsi, comme par exemple dans les zones désertiquespendant les périodes sèches sous une action solaireintense.

Si I'on considère les conditions et le mécanisme derupture cités ci-dessus, il apparaît que la fissurationlongitudinale se produit lorsque I'on a :

a) une alternance des saisons sèches et pluvieuses,avec une forte action solaire pendant les périodessèches;

b) une action capillaire intense, dans le sol natureld'assise et dans le remblai lui-même. La nappe doitêtre proche de la surface du sol naturel commec'est le cas des zones plates ou des dépressions;

c) une utilisation de sols susceptibles d'avoir d'impor-tants changements volu miques lorsque la teneu r eneau varie.

Ces conditions sont très fréquentes au Mexique. Si enplus elles sont accompagnées de I'utilisation dans lesouvrages en terre de sols ayant une proportionconsidérable de particules fines et par I'emploisystématique du compactage, on comprend pourquoila fissuration longitudinale est un sérieux problèmepour les routes mexicaines. Ceci explique en mêmetemps I'intérêt des ingénieurs mexicains pour ce sujet,qui a été étudié depuis plus de dix ans par " ElSecretaria de Asentamientos Humanos y ObrasPûblicas > et par " l'lnstituto de Ingenierfa " del'Université Nationale.

Trois objectifs ont guidé les travaux de recherche deces deux organismes :

a) connaître les conditions de chantier qui mènent à lafissuration, savoir comment la fissuration évolue etproposer des mesures pour la corriger lorsqu'elleest déjà visible, ou pour la prévenir, ou pourl'éliminer dans les nouveaux projets;

b) déterminer expérimentalement quels sont les solsles plus cou ramment associés au problème defissuration et établir des critères pour les dépisteren développant des méthodes de classification dessols en fonction de leur sensibilité à ce phéno-mène;

c) confirmer expérimentalement les mécanismes quiengendrent ce problème et déterminer leu rscorrélations quantitatives avec les conditions surchantier et leur évolution.

1 Recherche sur chantier

Compte tenu des brusques changements de climatentre les saisons sèches et les saisons fortementpluvieuses, couramment observés au Mexique, on s'estintéressé à la réponse des sols et des remblais auxchangements volumiques. Considérons les dilatationsd'une route tvbique construite sur rrn sol argileux,présentées sur la figure 1; il s'agit d'un remblai de1,5 m de hauteur constitué par un sol ayant une grandeproportion de particules fines. Le sol naturel a subi desgonflements assez notables à la fin de la période despluies (ligne en pointillé) par rapport à la positioninitiale rencontrée à la fin de la période sèche (ligne entrait continu). On remarquera que la tranchée latéraleest trop près de la structure et qu'elle a été inondée. Onremarquera aussi que le corps du remblai n'a pasbougé par rapport aux talus et au sol naturel d'assise.Ce schéma est en bon accord avec les hypothèsesi ndiquées précédemment.

Plusieurs études in situ ont porté sur les variations dela teneur en eau des remblais et des sols d'assise, avecdes carottages et des essais de laboratoire.

La figure 2a correspond à un remblai de 4 m de hautconstruit avec un sable argileux, issu de la décomposi-tion et de la désintégration partielle d'un schiste. Lapartie centrale du remblai est constituée par une argile,produit de décomposition totale de la même roche; lesol d'assise est composé de cette même argile. Ceci estun cas de modernisation et d'élargissement et leremblai argileux initial est couvert et protégé par unsable argileux. Les chiffres entre parenthèses indi-quent les teneurs en eau à la fin de la construction,correspondant dans ce cas à la fin de la saison desplu ies.

A cette première étape, la surface du remblai n'a pasété protégée. Le sable argileux a été compacté à 95 %de la densité sèche maximale Proctor Standard, avec17,5 o/o de teneur en eau optimale et I'argile inférieure aété compactée à 90 "/" du Proctor Standard et avec uneteneur en eau optimale de 37,5 o/".

La figure 2 b montre le même remblai Ron protégé à lafin de la période sèche. Les chiffres entre parenthèsesreprésentent toujours les teneurs en eau mesurées etles chiff res sans parenthèses correspondent auxvariations volumiques en pourcentage observées dansle remblai. On notera que le remblai argileux initial n'apas eu de changements sensibles, comparés à ceux dusol d'assise et du sable argileux.

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Fig. 1 Déplacements du sol dans une section naturelle

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012 3 t 5 mffiECHEttE Fig, 2 Séguence des changements de volume d'un remblai routier

A la fin de cette saison sèche la surface de roulement aété protégée et les conditions montrées sur la figure 2ccorrespondent à la fin de la saison des pluies suivante,avec la même interprétation pou r les chiff res entreparenthèses. Les chiffres sans parenthèses indiquentles variations volu miques qu i sont maintenant desdilatations, dont les plus importantes ont eu lieu dansles talus et dans le sol d'assise, surtout aux endroits oùil n'y a pas de protection. On observe également que lateneur en eau à I'intérieur du remblai reste inférieure àla teneur optimale tandis que dans le talus elle estconsidérablement plus grande. Le potentiel capillaire

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peut expliquer la faible augmentation de la teneur eneau initiale du remblai argileux par rapport à la teneuren eau naturelle d'origine. lmmédiatement après, leremblai a été recouvert par une couche d'asphalte et lafigure 2d montre les mesures effectuées à la fin de lasaison sèche suivante. On a conservé la présentationdes iésultats par des chiffres entre parenthèses, maisles chiffres sans parenthèses correspondent à unretrait lorsque le signe est négatif et à un gonflementdans le cas contraire. ll est évident qu'à la fin de lasaison sèche la teneur en eau de ce remblai protégépar une couche d'asphalte est restée la même ou a

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légèrement augmenté, alors que les zones de talus sesont desséchées, d'où Ia présence d'un processus deretrait. Dans le sol d'assise la zone non protégée par leremblai s'est considérablement desséchée.

Ces résultats représentatifs de toutes les sectionsétudiées viennent corroborer les hypothèses de baseformulées pour expliquer le phénomène.

Une autre étude in situ qui doit être mentionnée estI'ensemble de mesures de résistivité électrique réali-sées dans plusieurs sections de contrôle pratiquéessur différentes routes fissurées. Le but était dedéterminer indirectement la teneur en eau en plusieursendroits et ses variations saisonnières avec uneméthode non destructive. La méthode de mesure estclassique avec I'installation d'électrodes dans le corpsdu remblai. Sur la figure 3 on présente un remblai de14 m de long et 3 m de haut, construit avec unmatériau dont la teneur en argile est de 35 %. Le sold'assise est argileux.

La figure 3a montre les résu ltats des mesu res derésistivité à la fin de la période sèche et la figure 3bcorrespond à la fin de la saison des pluies. On observeà nouveau que le dessèchement a lieu dans les talus etqu'il est négligeable au centre du remblai. Le sold'assise tend également à se dessécher par évapora-tion dans les parties qui ne sont pas protégées par leremblai. Dans les zones des talus, la résistivité peutaugmenter dans Ia proportion du simple au double à lafin de la saison sèche, ce qui révèle une réductioncorrespondante de la teneur en eau.

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005 1 2

EClf E L tt

2 Recherche en laboratoire

un programme de recherches très étendues a étéeffectué depuis quinze ans; la série de travaux réalisésau Secretaria de Obras Pûblicas (sous la direction del'auteur et de M. R. v. orozco) et à l'lnstituto defngenierta (M. J. Alberro) sera présentée maintenant.

2.1 Travaux de MM. Rico et Orozco

On considère deux matériaux utilisés cou rammentpour la construction de routes dans la zone duYucatân : le premier est une argile fortement compres-sible et I'autre est un limon ou stable argileux calcaire,tous deux résu ltats de la décomposition et de ladésintégration d'une roche calcaire caractéristique decette zone karstique du Yucatân. Le matériau argileuxest le plus difficile à traiter mais il est parfois utilisépour la reconstruction des remblais. Le sable est lematériau de base pou r la construction initiale desremblais. Le tableau de la figure 4 résume quelquespropriétés des deux matériaux.

Les essais de gonflement réalisés avec le dilatomètreHveem ont permis de déterminer ce qu'on appelle les* traiets compactage en fonction de la teneur en eau ,,.

Ces courbes sont construites comme suit : à partir dela densité sèche maximale Proctor pris comme état deréférence, on calcule les pourcentages de compactageen faisant le rapport entre le poids volumique à uninstant donné et la valeur de référence.

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Fig. 3 Mesures caractéristiques de la résistivité dans un remblai routier

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élevé à très érevétnès êIevêtnès élevé

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122 26 96 2,39'115 2g g7 ?,36116 31 g5 2,4o

éIevé à tnès éIevétrès élevétrès élevé

étevé à tnès étevééIevé à tnès étevétrès élevétnès élevétrès élevé

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Fig. 4 Propriétés des sols étudiésLL limite de liquiditéLP limite de plasticitéI p indice de plasticitéLR limite de retraitSs densitéMO teneur en matière organique

20 /,0 60Tensur on oau (y;

Fig. 5 Trajets (compactage - teneur en eau)

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Différents échantillons de sable et d'argile ont étécompactés du .. côté sec ,, êt placés dans le dilatomètreHveem, êr les laissant se dilater librement jusqu'à ceque la condition finale appelée saturation soit atteinte.Dans tous les cas l'évolution volumique a été observéeen fonction des variations de la teneur en eau et cetteévolution, qui est obtenue pour chaque échantillonessayé, est appelée ,, traiet u.

Un exemple représentatif de trajet pour ces sols estmontré sur la figure 5. ll est clair que plus la courbe estaplatie, moins le sol est sensible aux variationsvolumiques. ll faut observer que la plupart des courbes

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expérimentales sont assez proches de celles qui sontprésentées ici comme des courbes typiques. pour lesable et I'argile compacte, les trajefs obtenus sont desdroites et ceux de I'argile naturelle sont légèrementcourbés, dans les trajets représentatifs de la figure 5,on a volontairement omis cette courbure.La formule 1 ci-dessous exprime les variations volumi-ques du sol en fonction des degrés de compactage(initial et final) de chaque échantillon de sol. Le degréde compactage final est exprimé par rapport à ladensité sèche maximale Proctor :

aV_. Gi

\4:1-Gr (1)

\ \ \Sable arlgifeurou S i lteur

>\ \Argi t Gornp a c t6e

Arl i 1o nalul llr-)

\\

\\

L'application de cette formule à un cas réel est faite àpartir d'un trajet faisant intervenir les conditions decompactage initial et la teneur en eau du sol. Dans untel cas les trajefs fournissent un critère pour évaluer tepourcentage de variation volumique du sol en fonctionde la teneur en eau. Ces trajets ont ainsi été utilisésavec succès à divers projets pour estimer le comporte-ment futur de I'ouvrage"

A partir de I'expression (1) on obtient facilement laformule (2) où w est la teneur en eau maximale prévuepour le remblai étudié, et w; la teneur en eau initiale dumême matériau; w; sera en général la teneur en eauoptimale de compactage in situ; K est un paramètreadimensionnel qui dépend de la pente du trajetenvisagé et du degré de compactage initial du sol.

AV1V,K' 1r-:

w-wi

L'intérêt de cette expression est qu'elle permet dedonner un critère de projet pour déterminer le degré decompactage et la teneur en eau pour qu'un sol devantêtre placé dans un remblai minimise sa sensibilité auxchangements volumiques. Pour illustrer cela, lafigure 6 montre les courbes de K en fonction de lateneur en eau initiale pour le sable argileux ou silteuxcité précédemment" Les courbes ont été obtenues aulaboratoire avec un dilatomètre qui mesure lesvariations volumiques du sol en fonction des variationsde la teneur en eau à partir d'une vaieur initialedonnée, jusqu'à la valeur finale, c'est-à-dire desaturation dans le dilatomètre.

Si la teneu r en earl optimale de compactage dumatériau sur le chantier est par exemple de 17,5 o/o, lafigure montre qu'à 96 o/o du compactage initial la valeurde K est de 6,5, mais que pour 100 o/o êlle est réduite à3,5. Avec ces deux valeurs de K et avec une estimationde la teneur en eau que le sol peut atteindre dans leremblai, la formule 2 permet de calculer les variationsvolumiques correspondant à ces deux degrés decompactage : dans ce cas particulier le compactage à96 "/" est meilleur que celui à 100 %.

TENEUR EN EAU IIIIITIATE

Fig. 6 Valeurc de K pour des teneurs en eau et des de-grés de compactage différents

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Vu la forme compliquée des courbes donnant la valeurde K, on peut dire qu'il n'y a pas de relation apparentesous forme d'expression simple entre le degré ducompactage donné au sol du remblai et les variationsvolumiques pour chaque sol et pour chaque conditionparticulière" Ce fait, qui confirme I'expérience despraticiens, indique qu'il est nécessaire de faire pourchaque projet l'étude détaillée qui vient d'être décriteici.

2.1 Travail de M. Alberro

Le but de ce travail était de déterminer la sensibilitéaux déformations volumiques des sols utilisés couram-ment pour la construction des remblais en fonction deleu r teneu r en eau initiale et de leu r poids volu mique.

Deux matériaux ont été considérés, ils sont dénommésCH dans la classification de Casag rande, avecLL: 85 "/" et 79 7" respectivement, lP: 55 o/o et 47 o/o êtLR de 13,7 o/o dans les deux cas.

La recherche a été réalisée en laboratoire su r deséprouvettes compactées avec une énergie spécifiquede 7,5 kg.cm/cm3 pour le premier matériau et de 1;3,3; 7,5 et 30,1 kg.cm/cm3 pour le deuxième. Desessais de dilatation volumique ont été effectués enmême temps que des essais triaxiaux su r ceséprouvettes en faisant diverses combinaisons desparamètres suivants : énergie de compactage, teneuren eau initiale, pression de confinement et aussicontrepression interstitielle"

La f igu re 7 présente les dilatations volu miques dudeuxième matériau compacté à trois niveaux différentsd'énergie en fonction de la teneur en eau initiale, et lafigure 8 présente la dilatation volumique des mêmeséchantillons en fonction de la pression effective deconfinement employée dans I'essai triaxial.

30

(2)

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E=30,1 kg r cmlcm3E= Z5kg x cmrcm 3

E= 3,3kgx cmlcm3E=I,ne rglar dr compectrgie

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E= 3,3 kgxun /cmt

rl tlltl10 20

TETIEUR ET EAU

Fig. 7 Gonflement en fonctioninitiale

de la teneur en eau

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Encrgios do compactagrA Ec =30,1 koxcm,/cm3

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57

Fig. 8 Gonflement en fonction de la pression effective

Les essais de dilatation ont été complétés par desessais de retrait par un séchage lent.

Les résultats importants de cette recherche sont lessuivants :

al lnfluence du poids volumique initialPour une même teneur en eau de compactage, leséchantillons les plus denses ont montré un plus grandgonflement, ce qui est corroboré par d'autres résultatsrapportés dans la littérature (fig. 7). Les courbes dedilatance ont une enveloppe commune, ce quiimplique que le gonflement de tous les échantillonsavec une teneur en eau supérieure à I'optimum dépendessentiellement de la teneur en eau de compactage.

b) lntluence de la teneur en eau de compactageLa dilatation volumique augmente lorsque la teneur eneau de l'échantillon décroît. Ce résultat a déjà étéobtenu par d'autres chercheurs.

cl lnfluence de la structure de l'échantillonll est connu que les sols naturels prélevés de façon àrester intacts sont moins dilatants que les solscompactés à la même teneur en eau. ll est connu,aussi, que la structure d'un sol compacté est liée à laposition du sol sur la courbe de compactage. Ce fait aété traité largement dans la littérature, par exempleMaranha das Neves à Lisbonne ou Lambe au M. l. T. ontsuggéré qu'il se forme une structure floculée dans lessols compactés avec une teneur en eau inférieure àI'optimum et que cette structure devient de plus enplus orientée lorsque la teneur en eau dépasse le pointoptimal. La recherche faite au Mexique pour étudier lecomportement des sols fins compactés suggère que ladescription de la structure de ce type de sols enfonction de la position et des relations entre lesparticules, prises individuellement, n'est pas possibleet que la structure des sols fins compactés estprincipalement une question d'assemblage et de liensentre des mottes, des groupes de particules et non desparticules isolées. Actuellement des travaux sonteffectués au Mexique pour déterminer les structuresqui constituent les groupes floculés de particules. llsemble que pour des teneurs en eau supérieures àI'optimum, tous les sols fins ont pratiquement la mêmestructure, indépendamment de l'énergie de compac-tage; au contraire, pour les échantillons compactés àdes teneurs en eau inférieures à I'optimum, la structuredes floculats dépend fortement de l'énergie decompactage. On peut dire alors que les grandesénergies induisent de fortes pressions interstitiellespar osmose, ce qui du même coup engendre de grandsgonflements lorsque les pressions sont dissipées parhumidification.

dl lnfluence de la pression de confinementLa dilatation d'un sol compacté à une teneur en eau etune densité données est réduite notablement lorsquela pression effective de confinement augmente (fig. 8),ce qui réduit l'équilibre de la teneur en eau. ll en résulteque lorsque le sol est mis en contact avec de l'eau librele degré de saturation de l'échantillon augmente sanschangement de volume.

el lnfluence du temps de reposLorsque le temps entre la préparation de l'échantillon àla teneur en eau de compactage et le compactageproprement dit augmente, le potentiel de gonflementdécroît. Ce phénomène doit être relié aux propriétés dethixotropie des argiles. . Puisque la résistance aucisaillement des sols augmente avec le compactage,I'efficacité de l'énergie décroît et I'on obtient des poidsvolumiques moins grands; le potentiel de gonflementcorrespondant se trouve donc diminué.

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Fig. 9 Variations volumiques calculéæ et obærvées

Le résu ltat final du travail de M. Alberro est unensemble d'expressions reliant les variations volumi-ques des sols de gonf lement ou de retrait à desparamètres simples de comportement tels que I'indicede plasticité, la teneu r en eau initiale, le poidsvolumique initial, la limite de retrait, etc. Pour illustrerI'intérêt de ces expressions, la figure 9 montre lesrésultats obtenus pour la prévision des gonflementsdes sols utilisés dans la construction routière auMexique et la comparaison avec les valeurs mesuréesen laboratoire. Les expressions de M. Alberro ont étépubliées dans les comptes rendus de la ConférencePanaméricaine de Mécanique des Sols et des Fonda-tions qui a eu lieu récemment à Lima.

Développement d'un modèle mathématiquepour le phénomène de fissuration longitudi-nale

A partir des recherches financées par le Secretarta deAsentamientos Humanos y Obras Publicas pour êtreeffectuées par l'lnstituto de Ingen ierta de I'U n iversitéNationale, ces deux organismes ont mis au point etdéveloppé ensemble u n modèle physicoma-thématique de la fissuration longitudinale des rem-blais.

Pour cela il était nécessaire d'étudier :

a) la distribution des contraintes et des déplacementsinduits dans un remblai lorsque I'on impose desdéformations de dilatation ou de contraction auremblai ou au sol d'assise,

les déformations volumiques des sols en fonctionde leur teneur en eau et de leur densité initiales,

la distribution et la variation de la teneur en eau dessols constituant le remblai et le terrain de fondationlorsque des variations saisonnières ont lieu.

Pour cette étude on a utilisé la méthode des élémentsfinis.pour déterminer les déplacements, les contrainteseffectives et les pressions interstitielles produites parles variations volumiques dans le sol. Le maillage étaitconstitué par des triangles. La formulation matricielledu problème comprenait :

une matrice de rigidité pour I'ensemble deséléments, en terme de contraintes effectives,

#("410bservée

30

# ("/ù

Galculôs

b)

c)

- une relation matricielle entre les déformationsvolumiques des triangles et les déplacements desnæuds,

- une relation matricielle entre le volume de chaquetriangle et la pression interstitielle,

- la matrice du poids propre et des surcharges,

- la matrice des déformations volumétriques impo-sées aux éléments.

Un programme de calcul pouvait alors être rédigé; enlui donnant les gonflements et les retraits desmatériaux du remblai et du sol d'assise, on peutcalculer la distribution des contraintes de tractionengendrées.

Ce modèle a bien évidemment une double utilité,comme c'est souvent le cas dans ce genre desimulation des phénomènes physiques : d'une part ilest possible de calculer les variations volumiques àpartir de données réelles et avoir u_ne idée descontraintes de traction et de leur distribution dansI'ouvrage; d'autre part, daôs le cas d'un projetlorsqu'on connaît les propriétés des matériaux, il estpossible de faire une estimation des variationsvolumétriques à partir des critères indiqués, et lemodèle permet"de se faire une idée des contraintes detraction qui risquent de se produire et de leurdistribution. Au-delà de ces applications évidentes, lemodèle en a d'autres qui ne sont pas moins utiles :

grâce aux facilités de calculs des ordinateurs et endonnant des valeurs arbitraires aux paramètres, onpeut se rendre compte du poids de chacun desparamètres et leurs relations. Grâce à cela les critèresdu projet gagnent en finesse et en précision.

En termes généraux, les gonflements et retraitsmaximaux qui peuvent être atteints dans un problèmeréel Sbnt de I'ordre de 2Oo/" et les valeurs minimalessont nulles. Curieusement pour des calculs réalisésavec des données réelles, le modèle conduit à descontraintes effectives maximales de traction qui vontjusqu'à 7,5 MPa, ce gui explique largement lesphénomènes de fissuration observés.

Les figures 10 à 12 représentent les contraintes detraction (en MPa) données par le modèle, en supposantune zone de gonflement au centre et au-dessous duremblai et une zone de retrait dans les talus et dans lesol d'assise non protégé par le remblai lui-même. Surchaque figure on peut voir I'amplitude des gonflementset des retraits.

D'après le modèle, il apparaît que :

1) le maximum du retrait a plus d'influence que lemaximum du gonflement pour le développement dela fissuration,

2) les variations volumiques différentielles sont plussignificatives dans le corps du remblai que dans lesol d'assise.

Ces deux conclusions ont été corroborées par lesobservations sur chantier. Les fissures apparues dansles remblais constitués de sols fins posés sur desroches, ce qui représente des cas tout à faitexceptionnels, sont toujours très fines car il n'y a pasde mouvement d'eau en provenance du sol d'assise, cequi est à I'origine des plus fortes variations volumi-ques.

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4 Solutions proposées aufissuration

lf y a évidemment deux types detants :

a) les remèdes à apporter à desfissu rés,

problème de la

problèmes impor-

remblais existants

b) les projets de nouveaux remblais pour lesquels lephénomène de fissuration n'aura pas lieu ou pourque ces remblais soient protégés contre sondéveloppement.

Dans le premier cas on a retenu deux solutions. Lapremière consiste à élargir la section du remblai de 2 à3 m de chaque côté, ce qui n'empêche pas la formationde fissures, mais qui change leur position et les placeen un lieu où elles ne risquent pas d'induire de plusgrands dommages; une autre solution consiste àprotéger le remblai en superposant des talus sur ceuxqui existent, mais avec une plus grande pente (de 3 : 1

à 5 : 1). Cette deuxième solution s'est révélée pluséconomique et donne de meilleurs résultats que lapremière; la fissuration se produit alors sur les talusrecouverts où le dommage produit est minimal,spécialenient lorsqu'il y a de la végétation, ce qu i

élimine la nécessité de I'entretien. La végétation offreainsi plusieurs avantages et peut même résoudre lespetits problèmes.

Pour les nouveaux remblais une solution immédiateconsiste à les protéger avec des matériaux nonsensibles aux dilatations volumiques, cependant cette

Fig. 10 Contraintes principales de traction

Fig.

C0ilTRACTl0t mAXltAtE =2OloDf tATATtot MAxttAtE = zo olo

coilTnAcnot rf,AxtnA w =zo /oDf tATATf0t ilAXltAtË = S %

1 1 Contraintes principales de tractiôn

(u1.")

cotrnAcnoil nAxttAte = s%

DtIATATfor mAxltlAtc =zoofo

59

Fig. 12 Contraintes principales de traction

solution n'est pas toujours en bon voisinage avec lanécessité de minorer le prix de la construction desroutes à faible trafic. La mise en place d'une couchetrès poreuse de 20 à 25 m d'épaisseur pour ( couper la_

capillarité " s'est toujours montrée comme une solu-tion sûre et assez fiable, mais également coûteuse etmalheureusement injustifiée pour les routes modestes.L'emploi de nappes en f ilms plastiques se trouveactuellement dans sa première phase expérimentale auMexique. Quelques nouveaux remblais ont été cons-truits en observant ces règles de protection pou rcorriger la fissuration des remblais existants.

Un dernier commentaire en ce qui concerne lastabilisation des sols au moyen d'additions en faiblespourcentages de divers types de sols. Les résultats decette excellente et économique méthode sont trèsbons et il est recommandé que le projeteur les garde entête comme une solution éventuelle.

Les diverses autoroutes et sections expérimentales quiexistent actuellement au Mexique permettront decomparer la valeu r de ces différentes solutions auproblème de la fissuration.

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