Étude du comportement mécanique des colonnes ballastées chargées par des semelles rigides, Mechanical study of stone columns loaded by rigid footings

Sébastien Corneille

Description

Sous la direction de Farimah Masrouri
Thèse soutenue le 25 juin 2007: INPL
Les inclusions souples, telles que les colonnes ballastées, sont constituées de matériaux granulaires purement frottants et réalisées à partir de différentes méthodes, afin d’entraîner des améliorations des performances du sol (réduction des tassements, augmentation de la capacité portante, etc.). Dès leur origine, fin des années 1950, ces colonnes ont été employées en maillages réguliers sous des ouvrages de grandes dimensions (remblais, réservoirs, dallages…) apportant des surcharges uniformément réparties. Depuis plusieurs années, les colonnes sont souvent mises en œuvre de manière isolée ou en groupe d’éléments limités (2 à 6 unités) et coiffées par une semelle rigide. Il est donc important de prévoir le comportement mécanique de ces inclusions sous des semelles rigides compte tenu de leur application à de nombreuses structures (logements, bâtiments industriels…). L’objectif principal du travail présenté ici est : (1) d’analyser et de quantifier l’amélioration du sol obtenue par la mise en place des colonnes ballastées, dans un sol argileux, sous semelles rigides et (2) de développer une méthodologie numérique permettant de valider les résultats d’essais en grandeur réelle. Pour atteindre ces objectifs, une importante campagne d’essais en grandeur réelle a été élaborée puis mise en œuvre. Il s’agit d’une campagne de sondages de pénétration statique réalisés avant et après la mise en place des colonnes (isolées ou en groupe de 3 de 1,8 m d’entre-axe), ainsi que d’essais de chargement comparatifs en grandeur réelle pendant 77 jours, de semelles (1,2 x 1,2 x 0,5 m) sur une colonne ballastée et sur le sol naturel, et de semelles (2,3 x 2,5 x 0,5 m) sur trois colonnes et sur le sol naturel. Une importante instrumentation du sol et des colonnes (inclinomètres, sondes de pression interstitielle, capteurs de pression totale verticale) a été mise en place avant la réalisation des colonnes afin de déterminer l’amélioration du sol et le comportement à la rupture de ces inclusions. Puis, les résultats expérimentaux (déplacements horizontaux et verticaux, et contraintes totales verticales) ont été confrontés aux résultats de modélisations numériques en 2 (PLAXIS 2D V8) et 3D (FLAC 3D). Ont notamment été étudiés en 2D les outils numériques permettant de simuler le processus de mise en œuvre d’une colonne par refoulement latéral du sol
-Colonne ballastée
-Amélioration de sol
-Semelle rigide
-Essai en grandeur réelle
-Modélisation numérique
Flexible inclusions, such as stone columns, are made up of purely frictional granular material and are constructed using a variety of methods, in order to improve the soil (settlement reduction, increase in bearing capacity…). At their beginning, end of the 1950’s, stone columns were placed in a regular mesh under great structures (embankments, tanks, slabs…) bringing uniformly distributed loads. Since several years, these columns are often constructed as isolated elements or in groups of a certain number (generally 2 to 6) on top of which is placed a rigid footing. It is thus important to predict the stone column’s mechanical behavior under rigid footings knowing that they can be used under a broad variety of structures (accomodation, industrial buildings…). The main purpose of the work presented in this thesis is to: (1) analyse and quantify the soil’s improvement thanks to the construction of stone columns, in a clayey soil, under rigid footings and (2) to develop a numerical methodology allowing us to validate full scale experimental results. In order to achieve this, an important full scale load test campaign was first conceived and then set up. Cone penetration tests were carried out before and after stone column construction (in isolated elements or in groups of three columns located at the corners of a 1,8 m faced triangle). Another part of this campaign deals with comparative full scale load tests carried out during 77 days: two rigid footings of 1.2 x 1.2 x 0.5 m, one on the natural soil and one placed on top of a stone column, and two rigid footings of 2.3 x 2.5 x 0.5 m, one on the natural soil and the other one placed on three stone columns. An important soil and column monitoring (inclinometers, pore pressure cells, total vertical load pressure cells) was set up before column construction in order to measure the soil’s improvement and the column’s failure behavior. The the experimental results (lateral and vertical displacements, and total vertical pressures) were compared to numerical ones in 2 (PLAXIS 2D V8) and 3D (FLAC 3D). In 2D, part of the work was focused on simulating the installation process of a stone column by lateral displacement of the soil
-Stone column
-Ground improvement
-Rigid footing
-Full scale test
-Numerical modelling
Source: http://www.theses.fr/2007INPL036N/document

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 272
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Ecole Nationale Supérieure de Géologie de Nancy
Laboratoire Environnement Géomécanique et Ouvrages
Ecole Doctorale RP2E


Thèse
Soutenue publiquement le 25 juin 2007 en vue de lbtention du titre de :
Docteur de l!Institut National Polytechnique de Lorraine
Spécialité :
Génie Civil " Hydrosystèmes " Géotechnique


Par
Sébastien CORNEILLE


Etude du comportement mécanique
des colonnes ballastées chargées par des semelles rigides


Membres du jury :
M A. DHOUIB Directeur du service Géotechnique de GTM-CONSTRUCTION Examinateur
M G. DURMEYER Président de DURMEYER SAS Invité
M R. FRANK Professeur, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées Rapporteur
M R. KASTNER Professeur, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Rapporteur
Mme F. MASROURI Professeur, Institut National Polytechnique de Lorraine Directeur de thèse
M B. SIMON Directeur Scientifique de TERRASOL Examinateur
M B. SOYEZ Directeur de la Mission Génie Civil de la DRAST Examinateur
M J-P. TISOT Professeur, Institut National Polytechnique de Lorraine Président du jury


A mes grands parents maternels Agathe et Basile WANKEWYCZ
A mes grands parents paternels Louise et Etienne CORNEILLE
A mes parents Jeanine et Fernand
A ma soeur Vanessa
A Cécile.




« Si l!on pouvait présenter à chacun le nombre de ses années à venir comme celui de ses années
passées, combien ceux qui verraient le peu qui leur reste trembleraient ! Combien ils en deviendraient
économes ! Or, il est facile d!administrer un bien, si petit qu!il soit, lorsqu!il est assuré ; mais il faut
conserver avec le plus de soin encore celui dont on ne sait quand il fera défaut. »



« La vie continuera comme elle a commencé, sans remonter son cours ni l!interrompre ; elle ne
fera pas de bruit, elle ne t!avertira pas de sa rapidité, mais s!écoulera en silence. Ni le commandement
d!un roi, ni la faveur d!un peuple ne la prolongeront. Sur sa lancée initiale, elle poursuivra sa course : nulle
part elle ne se détournera ; nulle part elle ne s!attardera. Qu!arrivera-t-il ? Tu es occupé, la vie se hâte ; la
mort, cependant, arrivera et, bon gré mal gré, il faudra lui céder la place. »



« Peut-il y avoir rien de plus stupide que la conception de certains hommes, j!entends ceux qui se
targuent de prévoyance ? [#] Ils disposent leurs projets sur le long terme : or la plus grande perte de la
vie, cest l!ajournement. Il nous arrache les journées une à une ; il dérobe le présent, en promettant
l!avenir. Le plus grand obstacle à la vie, c!est l!attente qui dépend du lendemain et perd le jour présent. [#]
Où regardesu ? Jusqu!où t!étendstu ? Tout l!avenir gît dans l!incertitude. Vis tout de suite. »

Vers l!an 59 apr. J.-C.
Sénèque (an 4 av. J.-C., an 65 apr. J.-C)



(Extraits de Sénèque, La vie heureuse et La Brièveté de la vie, Editions Flammarion, Paris, 2005)
REMERCIEMENTS

Les travaux de recherche de cette thèse C.I.F.R.E. ont été réalisés au sein de l!équipe Mécanique
des Sols du Laboratoire Environnement, Géomantique et Ouvrages, de l!Ecole Nationale Supérieure de
Géologie de Nancy, et à l!entreprise DURMEYER S.A.S. dont le siège est à Mittersheim en Moselle.

Je tiens à exprimer toute ma gratitude à ma directrice de thèse, Farimah MASROURI, Professeur
à l!INPL-ENSG, pour avoir guidé et enrichi mes réflexions tout au long de ce travail. Je la remercie très
sincèrement pour sa disponibilité indéfectible et pour ses critiques constructives.

Je remercie également Françoise HOMAND, Professeur à l!ENSG-INPL et directrice du
laboratoire, pour m!avoir accueilli au sein du LAEGO.

Je tiens aussi à remercier très sincèrement Gérard, Olivier et Yannick DURMEYER,
respectivement Président, Directeur Général et Directeur Général Adjoint de l!entreprise DURMEYER
S.A.S. pour leur soutien financier et technique apporté à la réalisation de cette étude.

Mes remerciements vont aussi à Bertrand SOYEZ, Directeur de la Mission Génie Civil de la
DRAST du Ministère de l!Equipement, ainsi qu!à François BUYLEBODIN précédent Directeur de la
Mission Génie, pour le soutien financier et la confiance qu!ils ont bien voulu nous accorder.

Je remercie également Roger FRANK, Professeur à l!Ecole Nationale des ponts et Chaussées, et
Richard KASTNER, Professeur à l!Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, pour avoir bien
voulu accepter d!être rapporteurs de ce travail. Je les remercie pour les remarques pertinentes qu!ils ont
formulées à la lecture de ce mémoire.

Je remercie également Jean-Paul TISOT, Professeur à l!ENSG-INPL, pour ses précieux conseils
lors de la rédaction de ce mémoire et pour avoir accepté de présider le jury.

Je tiens aussi à exprimer ma reconnaissance à Ammar DHOUIB, Directeur du département
géotechnique de l!entreprise GTM-Constuction (Vinci), pour nous avoir conseillé et pour avoir accepté de
participer au jury.

Je remercie Francis BLONDEAU, expert en géotechnique, pour nous avoir apporter un avis
technique éclairé sur les colonnes ballastées.

Je tiens aussi à remercier le Conseil Régional de Lorraine pour son soutien financier.

Un grand merci à tous les employés de l!entreprise DURMEYER S.A.S., notamment Michèle,
Brigitte, Maryse, Danièle, Christian, Hervé, Joseph, Vincent, Gérald, Sylvain, Marie-Joseph, Udo et Jean-
Paul, qui ont bien voulu mettre en "uvre tout leur savoir faire au service de la réussite des essais en
grandeur réelle.

Mes remerciements vont aussi à Jean François NOELLE et à Frank MANSUY pour m!avoir aidé à
la réalisation des essais de laboratoire.

Je n!oublie pas de remercier Tatiana, Serguey S., Serguey O., Wu, Jon, Javad, Franck, Umur,
Mohamad et surtout Hossein pour leur aide et leur soutien, même en dehors des heures de travail !

Plan
Plan
Introduction générale 19

Chapitre I
Synthèse bibliographique 23
Introduction 23
I.1 Techniques d!amelioration par inclusions souples et conditions geotechniques 24
I.1.1. Définition de l’amélioration de sol par inclusions souples 24
I.1.2. Procédés 24
I.1.2.1. Plot ballasté pilonné 25
I.1.2.2. Colonne pilonnée 26
I.1.2.3. Vibroflottation 26
I.1.2.4. Colonne ballastée vibrée 27
I.1.3. Domaines d’application 32
I.1.3.1. Ouvrages 32
I.1.3.2. Conditions géotechniques du sol 33
I.1.3.3. Sols naturels 34
I.1.3.4. Sols anthropiques 37
I.1.3.5. Couche d!ancrage 38
I.1.3.6. Ballast 38
I.1.4. Conclusion 40
I.2. Mécanismes de comportement et dimensionnements 41
I.2.1. Disposition des colonnes et mécanismes de ruptures 42
I.2.1.1. Principes généraux de fonctionnement 42
I.2.1.2 Colonne isolée 43
I.2.1.3. Réseaux de colonnes et principe de la cellule unité 44
I.2.1.4. Facteur de substitution du sol A et rapport de surface A 45 r s
I.2.1.5. Essais pour la détermination de l!amélioration 46
I.2.2. Facteurs permettant de qualifier et de quantifier l’amélioration 47
I.2.2.1. Facteur de concentration des contraintes n 47
I.2.2.2. Facteur de réduction des tassements 48
I.2.3. Conclusion 52
I.2.4. Méthodes de dimensionnement 53
I.2.4.1. Travaux de Mattes et Poulos (1969) et de Hughes et Withers (1974) 53
I.2.4.2. Théories de l!expansion radiale d!une cavité cylindrique 54
I.2.4.3. Dimensionnement d!une colonne ballastée isolée selon la capacité portante 56
I.2.4.4. Etude du tassement d!une colonne ballastée 58
I.2.4.5. Dimensionnement d!un réseau de colonnes ballastées 64
I.3. Conclusion du chapitre I 72

Sébastien CORNEILLE (2007) 7/290 Plan

Chapitre II Site expérimental : Caractérisation et présentation des dispositifs 75
Introduction 75
II.1 Présentation générale du site des essais 77
II.1.1. Localisation géographique 77
II.1.2 Contexte géologique et hydrogéologique 77
II.2. Caractérisation du site des essais en grandeur réelle 78
II.3. Campagne de reconnaissance 78
II.3.1. Sondage carotté SC1 78
II.3.2. Sondage pressiométrique SP1 80
II.3.3. CPT avant la réalisation des colonnes 81
II.4. Essais de laboratoire 85
II.4. Essais sur le ballast 88
II