Le cycle répété de gel et de dégel crée des forces que de nombreuses méthodes de construction standard ne sont pas conçues pour résister. Au fil du temps, ces forces provoquent des fissures, des éraflures, des inclinaisons, voire des défaillances catastrophiques si elles ne sont pas traitées correctement. Cet article fournit un guide complet pour construire des murs de retenue qui demeurent durables et fonctionnels dans les régions où l'activité de gel est importante. De la sélection des matériaux et la conception du drainage à la préparation et à l'entretien des fondations, tous les aspects de la construction doivent tenir compte de l'expansion et de la contraction incessantes de l'eau dans le sol et les matériaux de la paroi.

La science des cycles de gel-dégel et de la charge de gel

Dans un climat de gel-dégel, l'eau qui infiltre le sol derrière une paroi de soutènement ou le matériau de la paroi elle-même subit cette expansion à plusieurs reprises. Le processus n'est pas seulement une expansion et une contraction statiques; il implique la migration de l'eau vers le front de congélation, formant des lentilles de glace qui peuvent exercer une pression énorme. Ce phénomène, appelé givre, est la principale cause de dommages structurels dans les régions froides.

Trois types de dommages par gel et dégel affectent généralement les murs de retenue. Craquage lorsque les contraintes internes de traction dépassent la résistance du matériau pendant la congélation. ]Calage[, le flocage ou le décrochage de la surface, résulte de la congélation de l'eau dans les pores près de la surface. La rupture de l'eau ou de la rotation se produit lorsque la charge de gel à la base du mur ou derrière elle crée une pression latérale déséquilibrée.

Évaluation du site et préparation du sol

Avant le début de la construction, une évaluation approfondie du site est essentielle.Le type de sol détermine à la fois les caractéristiques de drainage et le potentiel de givre.Les sols cohésifs tels que l'argile et le limon sont fortement sujets au givre parce qu'ils conservent de l'eau et permettent une action capillaire pour attirer l'humidité vers le front verglaçant.Les sols granulaires comme le sable et le gravier s'écoulent bien et sont beaucoup moins sensibles au givre.

Les essais de sol doivent comprendre une analyse de la taille du grain, un indice de plasticité et une teneur en eau. Une étude géotechnique peut également inclure un test de percolation pour évaluer les taux de drainage. Lorsque le potentiel de gaine de gel est élevé, envisager d'installer une couverture de drainage ou un drain français derrière le mur pour intercepter l'eau avant qu'elle n'atteigne la zone de congélation. Le sol de fondation doit être compacté à au moins 95 pour cent de sa densité maximale sèche par l'essai Proctor modifié.

Considérations relatives à la profondeur du gel

Dans les régions où le gel est plus doux, il peut ne faire que de 12 à 18 pouces. La fondation d'un mur de retenue dans un climat de gel-dégel devrait s'étendre sous la ligne de gel pour éviter le givre. La base du mur doit être assise sur un sol stable qui ne subit pas de gel-dégel. Pour les murs de grande taille, un ingénieur géotechnique devrait calculer la profondeur de fondation requise en fonction des données locales sur la profondeur du gel et la hauteur et la charge du mur. Si le mur ne peut pas être fondé sous la profondeur du gel, envisager d'utiliser une base de gravier qui s'écoule bien et fournit une couche non sensible au gel.

Sélection de matériaux pour la durabilité de la dégel

Tous les matériaux de construction ne fonctionnent pas de la même manière en cas de gel-dégel. La sélection des matériaux affecte directement la résistance du mur à la fissuration, à l'éparpillement et à la dégradation à long terme.

Béton renforcé

Le béton est largement utilisé pour retenir les murs dans les climats froids en raison de sa résistance et de sa durabilité lorsqu'il est conçu correctement. Cependant, le béton standard est vulnérable aux dommages par gel-dégel à moins qu'il ne soit entraîné par l'air. Le béton entraîné par l'air contient des bulles d'air microscopiques qui permettent à l'eau de s'étendre lors de la congélation, réduisant ainsi la contrainte interne. L'American Concrete Institute (ACI) précise une teneur en air cible de 5 à 8 pour cent pour le béton exposé aux cycles de gel-dégel dans ACI 201.2R. De plus, le béton doit avoir un faible rapport eau-ciment, généralement 0,45 ou moins, pour réduire la perméabilité et augmenter la résistance à l'entrée de l'eau.

Pierre naturelle

Les pierres naturelles offrent une excellente durabilité et un attrait esthétique dans les climats de gel-dégel, mais la sélection compte. Les pierres denses, à faible porosité comme le granit, le basalte et le quartzite résistent bien au gel-dégel. Les pierres plus poreuses comme le grès et le calcaire sont plus sensibles aux éclaboussures. Les pierres avec des fissures visibles, des fissures ou des couches de lit peuvent se détériorer rapidement lorsque l'eau entre dans ces vides et gele. Lorsqu'elles sont utilisées, s'assurer qu'elles proviennent d'une carrière qui teste la résistance au gel selon les normes ASTM C666 ou similaires.

Unités de maçonnerie en béton (CMU) et murs de retenue segmentaires

Chaque bloc est moulé avec un système de lèvre ou de broche qui permet au mur de fléchir légèrement pendant les cycles de gel-dégel sans craquelure. Les écarts entre les blocs facilitent également le drainage. Pour les murs segmentaux dans les climats de gel-dégel, les blocs eux-mêmes doivent être fabriqués avec du béton entraîné par l'air et testés pour la durabilité de gel-dégel par ASTM C140. Le mur devrait être renforcé par géogrid si la hauteur dépasse deux à trois pieds. La National Concrete Masonry Association (NCMA) fournit des lignes directrices pour la conception de murs segmentaires dans les régions froides, soulignant l'importance du drainage et de la préparation de base appropriée. Le manuel de conception de la NCMA est une ressource clé pour les ingénieurs et les entrepreneurs.

Bois

Les murs de soutènement du bois sont communs dans les milieux résidentiels, mais leur durée de vie est limitée dans les climats gelés-dégelés, à moins que le bois ne soit correctement traité. Le bois traité sous pression pour le contact au sol est essentiel. Cependant, même le bois traité peut subir des dommages par gel-dégel si l'eau pénètre dans les contrôles et les fissures. Les murs de bois devraient être revêtus d'une couche de gravier et d'un tissu géotextile pour empêcher le sol de bloquer le drainage. La base doit être bien drainée et compacte.

Systèmes de drainage : le facteur le plus critique

Sans drainage efficace, l'eau s'accumule derrière le mur, gèle, s'étend et applique une pression hydrostatique et de glace qui peut dépasser la résistance de conception du mur. Un système de drainage bien conçu n'est pas facultatif; c'est le facteur le plus important dans les performances à long terme.

Percez les trous

Les trous de pleurer sont des ouvertures dans le mur qui permettent à l'eau de s'écouler du remblayage à l'avant. Ils doivent être placés à intervalles réguliers, généralement de 4 à 8 pieds à l'horizontale, et à la base du mur. Le diamètre des trous de pleurer doit être d'au moins 4 pouces pour résister au colmatage. Dans les murs en béton ou en maçonnerie, les trous de pleurer peuvent être formés avec des manchons de tuyaux ou laissés comme joints ouverts.

Composites de remblayage et de drainage de gravier

Le remblayage granulaire derrière le mur sert de milieu de drainage. Utilisez du gravier propre et libre-drainage (généralement de 3/4 de pouce à 1,5 pouce de diamètre) avec une faible teneur en fines. Le remblayage doit s'étendre de la base du mur à moins de 12 pouces de la surface. Un tissu géotextile placé entre le gravier et le sol indigène empêche les fines de migrer dans le gravier et de réduire sa perméabilité.

Sous-drins et tuyaux d'évacuation

Pour les murs de plus de quatre pieds de haut ou dans des sols à drainage médiocre, il est recommandé de disposer d'un tuyau perforé à la base du mur. Le tuyau, généralement de 4 à 6 pouces de diamètre, doit être enveloppé dans un tissu filtrant et déposé dans une tranchée de gravier qui descend jusqu'à une sortie. La sortie doit s'écouler d'au moins 10 pieds de la paroi pour empêcher la saturation de l'eau du remblayage. Dans les climats froids, la sortie doit être protégée contre la congélation, soit en l'enterreant sous la profondeur du gel, soit en installant une sortie antigel.

Conception de la Fondation et du renforcement

La base doit résister aux forces de la charge de gel et fournir une base stable pour le mur. Une approche commune consiste à creuser une tranchée sous la ligne de gel et à la remplir de matériaux granulaires compactés. La largeur de la base dépend de la hauteur de la paroi et de la capacité de roulement du sol. Pour les murs gravitationnels, la largeur de la base est généralement de 50 à 75 pour cent de la hauteur du mur. Pour les murs renforcés, la base peut être plus petite mais doit être fondée sur un sol non sensible au gel.

Renforcement du réseau géographique

Dans les murs de soutènement segmental et les murs de terre stabilisés mécaniquement (MSE), les couches de geogrid s'étendent horizontalement dans le remblayage, liant le mur à un bloc de sol plus grand. Cette conception augmente considérablement la résistance au renversement et au glissement. Dans les climats de gel-dégel, le renforcement de la géogrid permet également de faciliter le déplacement différentiel du geogrid en distribuant des contraintes sur une zone plus grande. Le nombre et la longueur des couches de geogrid dépendent de la hauteur du mur, des charges supplémentaires et des conditions du sol.

Élargissement des installations et des locaux de déplacement

Dans les murs rigides comme le béton coulé ou la pierre mortiernée, les joints d'expansion sont nécessaires pour permettre une expansion et une contraction thermiques ainsi que le mouvement de gel-dégel. Les joints doivent être placés à intervalles de 20 à 30 pieds, aux angles et aux changements de hauteur du mur. Les joints doivent être remplis d'un joint souple qui peut accueillir le mouvement sans déchirement. Certains concepteurs doivent également inclure un plan faible à la base du mur pour permettre une légère rotation sous les forces de givre.

Techniques de construction par temps froid

La construction d'un mur de retenue pendant le temps froid pose d'autres défis. Le béton et le mortier doivent être protégés contre le gel pendant le durcissement, et le compactage du sol est plus difficile lorsque le sol est gelé. Si la construction se produit à la fin de l'automne ou au début du printemps, prévoir des baisses potentielles de température. Le guide ACI 306R-16 pour le bétonnage par temps froid fournit la norme pour le placement et le durcissement du béton lorsque les températures ambiantes tombent sous 40°F. Le béton doit être mélangé à de l'eau chauffée ou des agrégats pour obtenir une température de mise d'au moins 50°F, et le béton doit être isolé ou protégé par des couvertures pour maintenir la chaleur pendant l'hydratation.

Le matériel de remblayage doit être exempt de glace et de neige. L'équipement de compactage doit fonctionner pendant qu'il est encore utilisable. Si le remblayage se gèle avant le compactage, il doit être enlevé et remplacé. De nombreux entrepreneurs prévoient la construction de murs à la fin du printemps ou au début de l'été pour éviter les complications du froid, mais lorsque l'horaire exige des travaux d'hiver, ces précautions ne sont pas négociables.

Entretien et surveillance à long terme

Les inspections annuelles au printemps après le dernier gel et à l'automne avant le premier gel sont recommandées. Vérifiez les fissures, les éraflures, les bourrages ou les inclinaisons. Mesurez les changements d'alignement ou d'élévation. Recherchez les signes que les systèmes de drainage sont bloqués : taches d'eau sur la face du mur, sol saturé derrière le mur, ou végétation défaillante à la base. Effacer les trous de pleurer et les sorties de drainage des débris. Si un trou de pleurer est bouché, une laveuse ou une tige de pression peut souvent restaurer l'écoulement.

Les fissures mineures dans les murs en béton peuvent être scellées avec un joint flexible époxy ou polyuréthane pour empêcher l'infiltration d'eau. Les zones éparpillées peuvent être patchées, mais si les dommages sont importants, la section du mur peut avoir besoin de remplacement. Pour les murs segmentaires, les blocs délogés ou fissurés doivent être remis à zéro ou remplacés rapidement. Les murs en bois doivent être vérifiés pour la pourriture à la base et aux connexions.

Études de cas et variations régionales

Dans le Pacifique Nord-Ouest, où les cycles de gel et de dégel sont fréquents mais moins sévères, l'accent est mis sur le drainage et la gestion de l'humidité.Dans les Prairies canadiennes et le Haut-Midwest, où les hivers sont longs et froids avec une pénétration profonde du gel, la profondeur des fondations et l'isolation deviennent des préoccupations principales.Dans les régions montagneuses où la neige est élevée et où les variations de température rapides, l'entretien saisonnier et la sélection minutieuse des matériaux sont critiques.

Par exemple, à Minneapolis, où la profondeur de gel atteint 42 pouces, une fondation de mur de soutènement doit être d'au moins 42 pouces de profondeur, avec un système de drainage qui s'étend sous la ligne de gel pour empêcher l'accumulation de glace à la base. En revanche, un mur à Seattle, où la profondeur de gel est de seulement 12 pouces, peut avoir une fondation plus faible, mais doit toujours traiter des précipitations élevées et des cycles modérés de gel-dégel. Dans les deux cas, le drainage est le fil commun; seul le changement d'exécution.

Conclusion

Le maintien de la construction des murs dans les climats gelés exige un niveau de conception et de travail plus élevé que dans les régions plus douces. Les forces générées par la congélation de l'eau sont puissantes et inlassables. Le succès dépend du contrôle de l'eau par le drainage, de la sélection des matériaux qui résistent aux dommages par gel et de la fourniture de fondations et de renforts qui permettent de se déplacer sans défaillance. Le béton entraîné par l'air, le renforcement géogrille, les trous de pleurer correctement dimensionnés et le remblayage granulaire ne sont pas des améliorations optionnelles; ils sont des éléments essentiels d'un système durable.