Les pieux en ennui, également appelés puits forés, sont une solution de base profonde commune pour transférer les lourdes charges structurales à travers des couches de roulement faibles ou compressibles. Cependant, lorsque la sous-surface est constituée de sables lâches, d'argiles molles, de dépôts organiques ou de remplissage hétérogène, le sol peut manquer de résistance et de rigidité pour supporter le tas tel que conçu. Dans ces conditions, les techniques d'amélioration du sol deviennent non seulement une option mais une exigence. En améliorant les propriétés mécaniques et hydrauliques du terrain avant l'installation du pieux, les ingénieurs peuvent empêcher les règlements excessifs, minimiser le risque de rupture du pieux et assurer la performance à long terme de la structure.

Comprendre les fondations de la pile ennuyeuse et leur sensibilité aux conditions de terrain

Contrairement aux pieux entraînés, les pieux ensanglantés causent un minimum de vibrations et de bruit pendant l'installation, ce qui les rend idéales pour les milieux urbains et les sites avec des structures existantes sensibles. La capacité de charge d'un pieux ensanglanté découle de deux mécanismes : le roulement final au bout du pieu et la friction cutanée le long de l'arbre du pieu. Pour que la friction cutanée se développe, le sol environnant doit avoir une résistance au cisaillement adéquate et être en contact intime avec le béton. Si le sol est lâche ou compressible, la contrainte de confinement latérale autour de l'arbre du pieu peut être insuffisante, ce qui peut entraîner une résistance aux frottements réduite. En outre, dans les argiles ou les limons mous, l'excavation peut être instable, avec le sol enclavé dans le trou du forage, problème qui peut être atténué par l'utilisation de fluides de forage mais pas entièrement éliminé sans amélioration préalable du sol.

Nécessité d'améliorer les sols en difficulté

L'amélioration du sol est généralement nécessaire lorsque le sol est classé comme problématique pour les fondations profondes.

  • Perdu de sols granulaires (sables et graviers) susceptibles de densifier sous des charges vibratoires ou pouvant présenter une compressibilité élevée.
  • Les argiles et les limons souples, avec une faible résistance au cisaillement non drainée, une plasticité élevée et une tendance à la consolidation à long terme.
  • Les sols à base de viande et de matières organiques qui sont hautement compressibles et peuvent se décomposer au fil du temps, entraînant une perte de sol inattendue.
  • Les matériaux de remplissage[ qui sont souvent hétérogènes, mal compactés et peuvent contenir des débris ou des vides.
  • Les sols collapsibles tels que la loess, qui subissent un volume soudain diminue lorsqu'elle est humidifiée.

Sans amélioration, les pieux ensanglantés installés dans ces sols peuvent rencontrer une série de problèmes : tassement total ou différentiel excessif, inclinaison ou mouvement latéral, réduction de la capacité axiale due à l'adoucissement du sol pendant le forage, et même défaillance sous des charges sismiques ou statiques. L'amélioration du sol s'attaque à ces problèmes en augmentant la densité, la rigidité et la résistance du sol, en réduisant la perméabilité et en homogénéisant les conditions du sol à travers le site.

Enquête sur le site : la fondation de la conception de l'amélioration au sol

Les méthodes d'étude standard comprennent les alésages, les essais de pénétration des cônes (CPT), les essais de pénétration standard (SPT), les essais de cisaillement des vanes et les relevés géophysiques. Les essais en laboratoire d'échantillons de sol récupérés fournissent des paramètres tels que les limites d'Atterberg, la distribution de la taille des grains, la résistance à la compression non confinée et les caractéristiques de consolidation. Ces données sont essentielles pour choisir la technique d'amélioration appropriée et pour concevoir l'amélioration afin d'atteindre les capacités de roulement cible et les tolérances de peuplement. Par exemple, si le sol est considéré comme étant grossier et lâche, des méthodes de de de densification comme la vibration ou le compactage dynamique peuvent être indiquées.

Techniques détaillées d'amélioration au sol pour les sites de pieu ennuyé

Un large éventail de techniques d'amélioration du sol est disponible, chacune adaptée à des types de sols spécifiques et aux exigences du projet. Ci-dessous, les méthodes les plus courantes sont décrites en détail, ainsi que leurs applications et limitations.

Compactage

Le compactage consiste à dénaturer mécaniquement le sol pour augmenter son poids unitaire et sa résistance au cisaillement. Il est possible d'y parvenir en utilisant des rouleaux lourds, des plaques vibratoires ou des compacteurs d'impact. Le compactage peu profond est généralement appliqué aux quelques mètres supérieurs du profil du sol, souvent après excavation jusqu'à la qualité. Pour un compactage plus profond, on utilise des techniques telles que le compactage dynamique profond (le poids lourd à partir d'une hauteur) ou le compactage rapide des impacts. Le compactage est le plus efficace dans les sols granulaires à teneur fine limitée.

Pâte à soupe

Le coulis consiste à injecter dans le sol un matériau fluide, comme le ciment, la chimie ou la résine, pour combler les vides, lier les particules du sol, augmenter la résistance et réduire la perméabilité.

  • Group de perméation: Le joint de faible viscosité est injecté sous basse pression pour infiltrer les pores des sols granulaires, ce qui améliore la cohésion et réduit la perméabilité sans perturber la structure du sol.
  • Groupe de compaction[: Un coupe rigide à faible limace est injecté sous haute pression pour former des ampoules de coulis qui compactent le sol environnant. Ceci est efficace pour stabiliser les sables libres et pour densifier le sol adjacent aux fondations existantes.
  • Groupe de frottement[: Le coulis est injecté à haute pression pour fracturer le sol, créant un réseau de coutures de coulis qui améliorent la résistance globale à la masse.
  • Groupage de jetons[: Des jets de coupeur, d'air ou d'eau à grande vitesse érodent le sol et le mélangent simultanément avec du coupeur cimentif, formant des colonnes de sol amélioré. Le coupage de jet peut être utilisé dans presque n'importe quel type de sol et peut créer des éléments à haute résistance à la compression.

Le gouttage est souvent utilisé pour traiter des zones isolées de sol faible ou pour créer une base stable directement sous l'extrémité du pieu. Il est également utilisé pour contrôler l'écoulement des eaux souterraines pendant l'excavation du pieu. L'efficacité du gouttage dépend de la taille du grain du sol, de la viscosité du gout, de la pression d'injection et de l'uniformité du traitement.

Préchargement et recharge

Le préchargement consiste à placer une charge temporaire (charge) sur le sol pour accélérer la consolidation des sols souples et compressibles avant la construction de la fondation permanente. Le supplément est généralement constitué de remplissage de terre, mais peut aussi être rempli de sacs ou d'autres matériaux. La charge appliquée provoque l'expulsion de l'eau et la consolidation du sol, réduisant son rapport de vide et augmentant sa résistance au cisaillement au fil du temps. Pour les sols à faible perméabilité, les drains verticaux (drains à mèche ou drains à sable) sont souvent installés dans un réseau pour raccourcir le parcours de drainage et accélérer la consolidation. Le préchargement est particulièrement efficace pour les argiles molles, les limons et les sols organiques où des colonies se produiraient pendant de nombreuses années.

Vibroflotation

Une sonde cylindrique (vibroflot) est insérée dans le sol et vibrée horizontalement à haute fréquence tandis que les jets d'eau facilitent la pénétration. La vibration provoque une réarrangement des particules du sol dans un état plus dense. Lorsque la sonde est retirée, on peut ajouter du matériau de remblayage supplémentaire (comme du gravier ou du sable) pour remplir le vide et densifier le sol. Il en résulte une colonne de sol densifié avec une capacité de roulement améliorée et un potentiel de peuplement réduit. La vibration est efficace pour les sables avec moins de 10-15% de fines et est couramment utilisée pour les sites où des pieux percés seront installés dans des dépôts de sable profond. Elle peut traiter des profondeurs pouvant atteindre 30 mètres ou plus.

Colonnes de pierre

Les colonnes de pierre sont construites en perçant un trou ou en utilisant une sonde vibratoire pour créer une cavité, qui est ensuite remplie de pierre concassée ou de gravier. La pierre est compactée en couches, formant une colonne qui agit comme une inclusion plus rigide dans le sol mou. Les colonnes de pierre améliorent la performance du sol par trois mécanismes : (1) Elles agissent comme des drains verticaux, accélérant la consolidation parce que la colonne de pierre a beaucoup plus de perméabilité que l'argile environnante. (2) Elles fournissent un renforcement, car la colonne de pierre a plus de résistance et de rigidité que le sol indigène, augmentant ainsi le module composite global du sol. (3) Elles densifient le sol environnant pendant l'installation, en particulier dans les sols granulaires.

Mélange de sols profonds

Le mélange de sol profond (DSM) consiste à mélanger mécaniquement le sol in situ avec un liant cémentif (comme le ciment, la chaux ou le laitier) pour créer des colonnes ou des panneaux de sol amélioré avec une résistance significativement plus élevée et une perméabilité plus faible. Le mélange peut être effectué soit dans un processus humide (où le liant est injecté comme un lisier) ou un processus sec (où le liant est injecté comme une poudre). Le sol traité a une résistance plus forte, une compressibilité réduite et une résistance améliorée à l'eau. DSM est utilisé pour créer des colonnes de terre-ciment qui peuvent servir d'éléments porteurs eux-mêmes ou comme matrice pour l'installation de pieux.

Compactage dynamique

Le compactage dynamique (DC) implique de laisser tomber à plusieurs reprises un poids lourd (généralement de 5 à 20 tonnes) d'une hauteur de 10 à 20 mètres sur la surface du sol. L'énergie de l'impact densifie le sol à des profondeurs de plusieurs mètres. La méthode est mieux adaptée aux sols à grains grossiers avec une perméabilité modérée à élevée. Il peut également être efficace dans les terrains remplis et récupérés. Le compactage dynamique peut améliorer significativement la capacité portante et réduire le peuplement des sols avant l'installation de pieux ensanglantés. Cependant, il peut ne pas être adapté aux sols à grains fins ou aux sites à structure sensible à proximité en raison de préoccupations de vibration.

Critères de sélection des méthodes d'amélioration au sol

Le choix de la technique appropriée d'amélioration du sol exige l'équilibre de plusieurs facteurs.

  • Type de sol et stratification[: Les sols granulaires sont faciles à utiliser pour la densification (vibroflotation, compactage dynamique), tandis que les sols cohésifs peuvent nécessiter une consolidation (préchargement) ou un renforcement (colonnes de pierre, DSM).
  • Dépenciement de traitement requis: Certaines méthodes comme le jet de purge ou le DSM peuvent traiter des zones profondes, tandis que le compactage peu profond est limité aux sols proches de la surface.
  • Tarif du projet: Le préchargement peut prendre des mois ou des années; le compactage dynamique ou les colonnes de pierre peuvent être complétés en semaines.
  • Contraintes spatiales: Le compactage dynamique nécessite une grande surface claire et peut être perturbateur; le coulis peut être effectué dans des espaces étroits autour des structures existantes.
  • Effets environnementaux : Les produits chimiques de coulis peuvent être soumis à des restrictions réglementaires; la vibration produit du bruit et des vibrations. Dans les zones sensibles, des méthodes plus silencieuses et moins intrusives comme le préchargement ou les colonnes de pierre peuvent être préférées.
  • Coût: Les coûts varient considérablement; le compactage simple peut être peu coûteux, tandis que le roulage à réaction ou le DSM dans les dépôts profonds peuvent être coûteux.
  • Exigences de rendement[: La résistance, la rigidité et la perméabilité du sol cible doivent être définies d'après la conception du pieux.

Dans de nombreux projets, on utilise une combinaison de techniques. Par exemple, le préchargement avec des drains verticaux peut être appliqué pour consolider la couche supérieure d'argile molle, suivi par la vibroflotation pour densifier les dépôts sablonneux plus profonds, et enfin des colonnes de pierre pour renforcer les zones de haute pression portante.

Avantages de l'amélioration au sol avant l'installation de pieux encombrés

La mise en oeuvre de l'amélioration du sol procure des avantages substantiels qui vont au-delà de la simple amélioration du sol.

  • Capacité de charge accrue: L'amélioration du sol permet une meilleure résistance au frottement cutané et au roulement de bout, permettant aux pieux de supporter des charges plus élevées ou de réduire la longueur et le diamètre du pieux requis.
  • Réglementation réduite : L'amélioration du sol atténue à la fois l'établissement immédiat et le règlement de consolidation à long terme, protégeant la superstructure des dommages.
  • Risque minimal d'inclinaison ou de flambage des pieux : Un profil de sol plus uniforme et plus rigide réduit la déformation latérale et assure l'alignement axial des pieux.
  • Amélioration des conditions de forage[ : Les forages stabilisés sont moins sujets à l'effondrement, au col ou à la nécessité de fluides de douille ou de forage coûteux.
  • Épargnes de coûts[: Bien que l'amélioration du sol augmente le coût initial, elle peut réduire le nombre de pieux, leur longueur et le montant de renfort nécessaire.
  • Sécurité améliorée: Une plate-forme de travail stable est plus facile à construire et à maintenir des conditions plus sûres pour les travailleurs et l'équipement.

La construction du Burj Khalifa à Dubaï a nécessité une amélioration importante du sol grâce à la vibroflotation et à des colonnes de pierre pour atténuer les risques de liquéfaction et améliorer la capacité de roulement des sols sableux. De même, de nombreuses fondations de ponts routiers aux États-Unis ont utilisé le préchargement avec des drains verticaux pour traiter les dépôts d'argile molle avant de conduire ou de forer des pieux.

Conclusion

Les techniques d'amélioration du sol sont un élément essentiel de l'ingénierie géotechnique moderne, servant d'étape préparatoire essentielle avant l'installation de pieux ensorcelés dans des conditions de sol difficiles. En densifiant, renforçant et homogénéisant le sol, ces méthodes garantissent que les fondations profondes fonctionnent de façon fiable sur la durée de vie de la structure. Du compactage simple au broyage à réaction avancé et au mélange de sols profonds, la gamme des techniques disponibles permet aux ingénieurs d'adapter des solutions aux conditions de site et aux contraintes du projet. L'investissement dans l'amélioration du sol se paie souvent par la réduction de la taille des pieux, la réduction des retards de construction et l'amélioration de la sécurité.

Pour plus de détails, l'Administration fédérale de la route fournit des directives détaillées sur les méthodes d'amélioration au sol (FHWA Ground Improvement Methods, Volumes I et II), et l'Institut Deep Foundations propose de nombreuses études de cas sur les performances des pieux dans les sols améliorés.