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UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE Année : 2006 N° d'ordre 3951 T

UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE Année : 2006 N° d'ordre 3951 THESE pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE Discipline : Génie Civil Titre Analyse du comportement des colonnes ballastées : influence des conditions initiales Préparée au Laboratoire de Mécanique de Lille (U.M.R 8107) par Vincent SIX Présentée et soutenue publiquement le 20 décembre 2006 devant la commisision d'examen composée de : Messieurs : ZAOUI Ali Président BOUASSIDA Mounir Rapporteur MONNET Jacques Rapporteur DHOUIB Ammar Examinateur SHAHROUR Isam Directeur de thèse MROUEH Hussein Co-encadreur de thèse Thèse de Vincent Six, Lille 1, 2006 © 2007 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl Remerciements Je tiens tout d'abord à remercier chaleuresement mon directeur de thèse, Monsieur le Professeur Isam SHAHROUR, Directeur du Laboratoire de Mécanique de Lille, pour ses encouragements et ses nombreux conseils dispensés au cours de la préparation de cette thèse. Je lui dois mes premiers pas dans la recherche. Réalisé au sein de l'équipe Interaction Sol-Structure du Laboratoire de Mécanique de Lille, ce travail a été co-encadré par Monsieur le Professeur Hussein MROUEH. Qu'il trouve ici l'expression de ma gratitude pour le soutien fourni. Je remercie tout particulièrement Messieurs les Professeurs Mounir BOUASSIDA et Jacques MONNET, qui ont bien voulu être les rapporteurs de ma thèse, pour leurs lectures minutieuses et leurs les commentaires précis dont ils m'ont fait profiter. Ma reconnaissance s'adresse aussi à Monsieur le Professeur Ali ZAOUI et Monsieur Ammar DHOUIB, Chef de service et expert géotechnique à GTM-CONSTRUCTION/VINCI, pour l'intérêt qu'ils ont porté à ce travail en acceptant de faire partie de mon Jury. J'aimerais également remercier Monsieur Eric CHARKALUK, chargé de Recherche au C.N.R.S, et Monsieur Bruno DUMONT, enseignant à l'école d'Ingénieurs H.E.I, pour leurs conseils et leurs discussions fructueuses. Je voudrais enfin remercier profondément mes parents pour leur compréhension, leurs encouragements et leur soutien sans faille. Thèse de Vincent Six, Lille 1, 2006 © 2007 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl Résumé Le présent travail traite de l'analyse du comportement des colonnes ballastées et de l'influence des conditions initiales. Il comporte cinq parties. Les trois premières traitent de l'estimation de la capacité portante et du tassement d'un sol renforcé par colonnes tandis que les deux dernières sont consacrées à l'influence des procédés d'exécution des colonnes sur l'état de confinement. La première partie comporte une synthèse bibliographique sur le renforcement de sol par colonnes ballastées. La deuxième partie propose une comparaison des résultats issus de méthodes analytiques et d'une modélisation par éléments finis sur le concept de la cellule composite "ballast-sol". L'analyse porte sur le comportement mécanique de ce système et la sensibilité des différents paramètres intervenant dans le dimensionnement. La troisième partie présente le développement et l'amélioration d'une méthode analytique pouvant donner lieu à la réalisation d'un outil de calcul spécifique facilitant la saisie des données et permettant un accès rapide aux informations. La quatrième partie vise à définir l'influence de l'enfoncement du vibreur sur la pression de confinement appliquée par le sol environnant. Après l'étude d'un modèle basé sur l'expansion d'une cavité cylindrique, une approche par vibration est utilisée pour la construction de la colonne. La cinquième partie traite de l'évaluation de l'incidence de la force de compactage du ballast sur le comportement des colonnes au travers d'une expérimentation sur site. Thèse de Vincent Six, Lille 1, 2006 © 2007 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl Sommaire Introduction générale ........................................................................................................................ 1 Chapitre 1 – Analyse bibliographique ......................................................................................... 3 1.1 Généralités, définition, historique...................................................................................... 3 1.2 Domaine d'application, données économiques................................................................. 4 1.3 Les procédés d'exécution.................................................................................................. 5 1.4 Données réglementaires (DTU 13.2) ................................................................................ 8 1.4.1 Essais d’information ...................................................................................................... 8 1.4.2 Essais de contrôles ....................................................................................................... 8 1.4.3 Contraintes de calcul à l’ELS ........................................................................................ 9 1.5 Les colonnes ballastées "isolées" chargées en tête ......................................................... 9 1.5.1 Mécanismes de rupture................................................................................................. 9 1.5.2 Rupture par expansion latérale ................................................................................... 10 1.5.3 Rupture par cisaillement généralisé............................................................................ 11 1.5.4 Rupture par poinçonnement........................................................................................ 12 1.6 Les réseaux de colonnes ballastées ............................................................................... 13 1.6.1 Domaine d'influence de l'inclusion .............................................................................. 13 1.6.2 Diamètre théorique de la colonne ............................................................................... 15 1.6.3 Angle de frottement interne du ballast compacté........................................................ 15 1.6.4 Rapport des modules de déformation élastique.......................................................... 16 1.6.5 Influence de l'exécution des colonnes......................................................................... 16 1.6.6 Rapport de concentration de contraintes .................................................................... 17 1.6.7 Facteur de réduction des tassements ......................................................................... 18 1.6.8 Relations entre les paramètres caractéristiques n et β ............................................... 19 1.7 Méthodes de justification................................................................................................. 20 1.7.1 Méthodes empiriques.................................................................................................. 20 1.7.2 Les méthodes en élasticité linéaire ............................................................................. 22 1.7.3 Les méthodes élastoplastiques................................................................................... 24 1.8 Conclusion....................................................................................................................... 40 Chapitre 2 - Etude critique et comparative des méthodes de calcul de réseaux de colonnes ballastées 42 2.1 Introduction...................................................................................................................... 42 2.2 Etude numérique............................................................................................................. 42 2.2.1 Présentation du modèle de calcul ............................................................................... 42 2.2.2 Présentation des résultats pour le modèle de référence............................................. 48 2.2.3 Influence des paramètres sur le facteur d'amélioration β et le facteur de concentration de contrainte n......................................................................................................................... 53 2.2.4 Etude paramétrique..................................................................................................... 59 2.2.5 Conclusion sur l'étude par éléments finis.................................................................... 62 2.3 Etude analytique.............................................................................................................. 63 2.3.1 Efficacité du traitement................................................................................................ 63 2.3.2 Etat de plastification de la colonne.............................................................................. 65 2.3.3 Evolution des contraintes verticales suivant la profondeur ......................................... 66 2.3.4 Evolution de l'étreinte latérale suivant la profondeur................................................... 68 2.3.5 Evolution du rapport p/qc suivant la profondeur .......................................................... 69 2.3.6 Evolution de la déformation radiale à l'interface "sol-colonne" suivant la profondeur . 69 2.3.7 Conclusion sur l'étude analytique................................................................................ 70 2.4 Conclusion....................................................................................................................... 71 Chapitre 3 - Développement et amélioration d'une approche analytique ................................. 73 3.1 Introduction...................................................................................................................... 73 3.2 Développement de la méthode ....................................................................................... 73 3.2.1 Comportement élastique de la colonne sous chargement axial et étreinte latérale.... 73 3.2.2 Comportement élastique du sol ambiant..................................................................... 74 3.2.3 Prise en compte d'une contrainte résiduelle................................................................ 74 Thèse de Vincent Six, Lille 1, 2006 © 2007 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl 3.2.4 Comportement plastique de la colonne....................................................................... 75 3.2.5 Résolution du système................................................................................................ 77 3.3 Comparaison des résultats avec le modèle aux éléments finis....................................... 79 3.3.1 Efficacité du traitement................................................................................................ 79 3.3.2 Etat de plastification de la colonne.............................................................................. 80 3.3.3 Evolution des contraintes verticales suivant la profondeur ......................................... 81 3.3.4 Evolution de l'étreinte latérale suivant la profondeur................................................... 82 3.3.5 Evolution de la déformation radiale suivant la profondeur .......................................... 84 3.3.6 Conclusions sur les résultats....................................................................................... 84 3.4 Sensibilité de la méthode vis-à-vis de K0 ........................................................................ 84 3.4.1 Efficacité du traitement en fonction de K0.................................................................... 85 3.4.2 Evolution des contraintes verticales en fonction de K0................................................ 86 3.4.3 Evolution de l'étreinte latérale en fonction de K0 ......................................................... 87 3.4.4 Evolution de la déformation radiale en fonction de la profondeur suivant K0 .............. 88 3.5 Conclusion....................................................................................................................... 89 Chapitre 4 – Modélisation de l'enfoncement du vibreur............................................................ 90 4.1 Introduction...................................................................................................................... 90 4.2 Présentation des vibreurs................................................................................................ 90 4.2.1 Caractéristiques et propriétés du vibreur M-Béta........................................................ 91 4.2.2 Principe de réalisation de la colonne........................................................................... 92 4.3 Modélisation par expansion cylindrique .......................................................................... 92 4.3.1 Principe ....................................................................................................................... 92 4.3.2 Description du modèle................................................................................................. 93 4.3.3 Analyse des résultats .................................................................................................. 94 4.4 Modélisation du fonçage du vibreur ................................................................................ 97 4.4.1 Principe ....................................................................................................................... 97 4.4.2 Présentation du modèle .............................................................................................. 97 4.4.3 Analyse des résultats ................................................................................................ 100 4.5 Conclusion..................................................................................................................... 105 Chapitre 5 – Etude expérimentale de l'influence de la force de compactage ........................ 106 5.1 Introduction.................................................................................................................... 106 5.2 Présentation de l'expérimentation sur site .................................................................... 106 5.2.1 Synthèse de la reconnaissance géotechnique.......................................................... 107 5.2.2 Détermination de l'effort mobilisé en pointe de vibreur ............................................. 109 5.2.3 Réalisation des colonnes pour les essais ................................................................. 110 5.3 Réalisation des essais sur colonnes ............................................................................. 111 5.3.1 Dégarnissage de colonnes........................................................................................ 111 5.3.2 Essais pressiométriques ........................................................................................... 114 5.3.3 Essais de chargement............................................................................................... 116 5.4 Conclusion..................................................................................................................... 120 Conclusion générale ..................................................................................................................... 121 Notations....................................................................................................................................... 123 Références bibliographiques ........................................................................................................ 125 Annexe A1 – Méthode de Priebe.................................................................................................. 128 Annexe A2 – Méthode de Ghionna et Jamiolkowski..................................................................... 136 Annexe A3 – Méthode de Goughnour .......................................................................................... 143 Annexe A4 – Méthode inspirée de l'approche de Poorooshasb & Meyerhof................................ 149 Thèse de Vincent Six, Lille 1, 2006 © 2007 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl 1 Introduction générale Les colonnes ballastées constituent une technique intéressante pour l’amélioration en place des sols compressibles. Un matériau granulaire est introduit dans le sol, puis compacté, pour constituer des colonnes verticales. Ce traitement permet d'améliorer globalement les caractéristiques mécaniques du sol, d'augmenter la capacité portante du site, de réduire les tassements sous charges appliquées, de diminuer le temps de consolidation en accélérant le drainage, de participer à la stabilité générale des remblais et de réduire le risque de liquéfaction dans les zones sismiques. La technique de colonnes ballastées remonte au milieu du XXème siècle mais c'est depuis 1970 environ qu'elle a connu, avec le développement technologique des procédés de réalisation, un essor significatif pour la réalisation de projets de fondations d'ouvrages divers. Les colonnes sont utilisées principalement sous remblais, radiers et dallages mais également sous semelles superficielles de bâtiments industriels et d'habitation. La littérature traite généralement de la justification de la capacité portante des colonnes ballastées et de l'estimation des tassements du site renforcé sous la charge appliquée par le projet. L'hypothèse communément admise est que la colonne se trouve dans un état de sollicitations triaxiales. Différentes hypothèses sont retenues pour définir l'état de confinement de la colonne par le sol ambiant. Elles s'appuient uploads/Management/ 01-colonnes-ballastees-these.pdf