Les procédés de vibration profonde des sols

Brochure 10-02 F

Depuis le premier vibreur Keller, breveté en 1934, Keller a sans cesse conçu de nouveaux outils, pour arriver aujourd’hui à une gamme très vaste de pro­cédés de fondations et améliorations de sol.

Sommaire

Les procédés de vibration profonde .............. 3

Le vibrocompactage ............ 4

Les colonnes ballastées ....... 6

Procédés de fondation du type pieux ....................... 8

Variantes des procédés de vibration profonde ....... 10

Contrôles ............................11

Adresses ............................. 12

3

100

80

60

40

20

00,60,002 0,006 0,02 0,06 6,0 20 600,2 2,0

100

80

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0

Les procédés de vibration profonde

Ils se regroupent en trois familles, dont le point commun est l’exécution des travaux avec un vibreur, dont Keller conçoit et construit une large gamme. En fonction des conditions particulières de chaque chantier, il existe toujours un vibreur Keller spécifi-quement adapté à chaque usage :

Le vibrocompactage (ou vibroflottation) qui permet de compacter dans la masse, même à des profondeurs de plus de 30 m, les sols grenus sans cohésion (sables, gra-viers, cailloux, certains remblais, etc.).

Les colonnes ballastées, pour améliorer les sols très faibles à médiocres (sables limoneux, limons, limons argileux, argiles, remblais hétérogènes, etc.).

Les pieux et leurs dérivés, qui peuvent être réalisés avec divers matériaux, à usage de fondations profondes, semi-profondes (puits) ou inclusions rigides.

Le matériel courant (vibreurs guidés mon-tés sur porteurs Keller) permet de réaliser des colonnes ballastées, pieux ou inclusions jusqu’à 20 m de profondeur.

Les avantages des procédés KellerQualité, économie, sécurité, rapidité d’exé-cution sont les caractéristiques communes des techniques Keller.Par ailleurs, les nuisances vis-à-vis de l’envi-ronnement sont très limitées (bruits, vibra-tions) et permettent la mise en œuvre de ces procédés au voisinage immédiat d’ouvra-ges existants.

Domaines d’application des techniques d’amélioration de sol

Le principe du vibreur radial

Granulométrie [mm]

Argile Limon

Pour

cent

age

de p

assa

nt

Sable

Colonnes ballastées

Vibrocompactage

Domaine detransition

Graviers Cailloux

4

Le vibrocompactage dans les sables et autres sols grenus

Equipements et mise en œuvreOn réalise le compactage en masse des sols grenus à l’aide de vibreurs spécifiques à bas-ses fréquences. Les outils sont suspendus à des grues, mais peuvent aussi, pour de faibles profondeurs, être montés sur porteurs. La pénétration de l’outil, ainsi que dans certains cas le compactage, sont facilités par un fluide de lançage, généralement de l’eau sous pres-sion. Le compactage se fait par passes en re-montant l’outil, selon des critères déterminés par des essais préalables. La résistance du sol après traitement dépend de la granulométrie du terrain et de l’adéquation du type de vibreur.

Aspects géotechniquesLes vibrations émises par l’outil permettent un réarrangement optimal des grains de sable, ou autres matériaux en place, de manière à ce qu’ils occupent le plus petit volume possible. Ce procédé agit donc par augmentation de la densité en place, ou réduction de la porosité. Il consiste non à créer des éléments porteurs, mais à augmenter la capacité portante du terrain, qui pourra alors être sollicité par des fondations superficielles. 1 Fonçage

L’outil, dont la puissance et les caractéristiques sont variables en fonction du terrain, est foncé jusqu’à la profondeur finale à atteindre. Sa des-cente s’opère grâce à l’effet conjugué de son poids, de la vibration et de l’eau de lançage. Le débit d’eau est alors diminué.

Conception du traitementEn fonction de la nature et de l’importance des charges à reprendre, on peut procéder à un vibrocompactage général par un maillage régulier, ou à un traitement localisé sous des semelles ou massifs. Le maillage optimal en fonction des performances à atteindre est déterminé lors de plots d’essais préalables. La capacité portante d’un terrain compacté par cette technique peut atteindre 1 MPa aux ELS. Les contrôles après traitement sont réalisés par des essais pressiométriques ou pénétrométriques.

Pointe

Excentrique

Moteur

électrique

Joint

antivibratoire

Eau

ou

air

de lançage

Tube de

rallonge

Compactage général en maillage régulier

Compactage localisé sous semelles

Etat de compacité du solavant après

Mode opératoire

5

0

–1

–2

–3

–4

–5

–6

–7

–8

–9

–32

–31

–33

–34

–35

–48

–49

–50

Cette technique permet de compacter à l’optimum et d’homogénéiser les caractéristiques de tous les sols grenus, qu’ils soient remblayés ou en place, secs ou sous la nappe phréatique.

2 Compactage

Le vibrocompactage est alors réalisé par passes successives de bas en haut. Le volume compacté est un cylindre d’un diamètre pouvant atteindre 5 m. L’augmentation progres-sive de l’intensité consommée par le vibreur permet de me-surer la croissance de la com-pacité du sol.

3 Apport de matériaux

Autour du vibreur apparaît un cône d’affaissement, que l’on comble au fur et à mesure soit par des matériaux d’apport (A), soit en décapant progressive-ment les matériaux du site (B). En fonction de l’état initial, on peut atteindre une quantité de 15 % de matériaux ajoutés par rapport au volume traité.

4 Finition

Après traitement, la plate-forme est réglée et recompactée à l’aide d’un rouleau vibrant.

Applications spécialesIl est également possible de foncer des éléments tels que profilés, ancrages ou ducs d’Albe dans les sols sableux au moyen de ce type de vibreurs.Un autre domaine d’application du vibro compactage est la réduction de perméabilité des sols grenus, dans le but de diminuer les débits d’exhaure lors de rabattements de nappe.

Le cône d’affaissement autour du vibreur

Dès 1939, des profon-deurs de traitement de 35 m ont été atteintes.Entre-temps, Keller a réalisé du vibrocom-pactage à des profon-deurs de plus de 50 m.

Prof

onde

ur

6

2

3

4

5

6

7

2 3 4 5 6 7 8 9 10 111

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 4 8 12 16 20 24 28

149163664100225400

9001600

Dans les sols cohésifs – les colonnes ballastées

Equipements et mise en œuvreEn règle générale, les colonnes ballastées sont réalisées avec un vibreur à sas qui comporte, à son extrémité supérieure, un sas et une trémie pour les matériaux d’apport. Un tube permet d’amener ceux-ci jusqu’à la pointe, à l’aide d’air comprimé. Pour cet équipement spécial, Keller a conçu des châssis porteurs qui peuvent activer le fonçage par poussée statique sur l’outil. Les colonnes ballastées sont réalisées par passes successives. Après le fonçage, on remonte le vibreur et les ma-tériaux s’écoulent à sa pointe. Le vibreur est alors redescendu dans les agrégats, qui sont compactés et expansés latéralement dans le sol. Les colonnes ainsi réalisées concentrent l’essentiel des charges à reprendre.

Aspects géotechniquesContrairement au vibrocompactage, on ne considère pas au départ d’amélioration de compacité entre colonnes, même si celle-ci existe dans certains cas. L’amélioration repo-se sur la réalisation d’inclusions souples de module élevé, sans cohésion, à fort pouvoir drainant, qui par concentration et report de charges augmentent la capacité portante du sol en diminuant et maîtrisant les tassements.

1 Préparation

La machine est mise en station au-dessus du point de fonçage, et stabilisée sur ses vérins. Un chargeur à godet assure l’approvi-sionnement en agrégats.

2 Remplissage

Le contenu de la benne est vidé dans le sas. Après sa fermeture, l’air comprimé permet de maintenir un flux continu de matériau jusqu’à l’orifice de sortie.

Mode opératoire

Conception du traitementAlors que le compactage du sol se mesure relativement facilement par des sondages, les effets des colonnes ballastées ne peuvent être contrôlés que par des essais de charge-ment in situ. Keller a développé pour cela des méthodes de dimensionnement fiables, qui prennent en compte la géométrie des colonnes ballastées et l’angle de frottement du matériau d’apport.

Orifice

de sortie

Sas

Tube de

rallonge du vibreur et d’amenée

du matériau (trémie)

Moteur

électrique

Tube

d’amenéedu matériau

Excentrique

Joint

antivibratoire

ϕS = 45.0°

ϕS = 42.5°

ϕS = 40.0°

ϕS = 37.5°

ϕS = 35.0°

μB = ⅓

Abaque de dimensionnement descolonnes ballastées

Abaques de tassements pour semelles isolées

Fact

eur

d’am

élio

rati

on

Rap

port

de

tass

emen

t t/

t ∞ *

Nom

bre

de c

olon

nes

Rapport des sections AC / AS

Profondeur relative p/d

* t∞ = Tassement d’une charge infinie

7

0

–1

–2

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–5

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–7

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–20

Les sols cohésifs ont souvent une portance insuffisante. Lorsqu’ils comportent plus de 10 à 15 % de limons et argiles, ils peuvent être améliorés par un réseau de colonnes ballastées.Ce procédé est également utilisable dans les remblais non évolutifs, tels que déblais de constructions, scories ou remblais hétérogènes.

3 Fonçage

Le vibreur descend, en refoulant latéralement le sol, jusqu’à la profondeur prévue, grâce à l’insuffla-tion d’air comprimé et à la poussée sur l’outil.

4 Compactage

Lorsque la profondeur finale est atteinte, le vibreur est légèrement remonté et le matériau d’apport se met en place dans l’espace ainsi formé. Puis le vibreur est redescendu pour expanser le matériau latéralement dans le sol et le compacter.

5 Finition

La colonne est exécutée ainsi, par passes successives, jusqu’au niveau prévu. Les semelles de fondations sont alors réalisées de manière traditionnelle.

Fond de fouille après réalisation des colonnes ballastées

Le procédé des colon-nes ballastées a été développé à la fin des années cinquante. Des profondeurs jusqu’à 20 m environ peuvent être atteintes avec un porteur sur chenilles équipé d’un sas.

Avantages du vibreur à sas :

• Lematériaud’apportarrivedirecte-ment à l’orifice de sortie, ce qui assure la continuité de la colonne.

• Lecompactagesefaitenuneseulepasse.

• Iln’yapasderisqued’éboulementduforage dans les sols instables.

• Lesvibreursguidésmontéssurporteursgarantissent la parfaite verticalité des colonnes.

Prof

onde

ur

8

Procédés de fondation du type pieux

Colonnes Ballastées Injectées® (CBI® ) et Colonnes en Béton Prêt à l’Emploi (CBPE)

Dégarnissage d’une colonne ballastée injectée

Exécution de colonnes ballastées injectées

Equipements et mise en oeuvreCes éléments de fondation sont réalisés selon le même mode opératoire que les colonnes ballastées. Le matériau d’apport mis en œu-vre est un béton spécial de qualité C 8/10 à C 25/30. Celui-ci est mis en œuvre de la même façon que le matériau d’apport utilisé pour les colonnes ballastées. Les effets du compactage sur le sol environnant, par vibra-tion et refoulement, ne sont pas diminués.

Aspects géotechniquesLe fonctionnement de ces éléments de fon-dation correspond, à quelques détails près, à celui de pieux.

Conception du traitementKeller dispose d’un cahier des charges pour les procédés des colonnes ballastées in-jectées® et des colonnes en béton prêt à l’emploi.Lors de la conception des fondations, on calcule pour ces éléments de fondation une force portante. Les charges habituelles sont de 400 à 900 kN. Les colonnes ballastées injectées® et surtout les colonnes en béton prêt à l’emploi peuvent très bien être combi-nées avec des colonnes ballastées normales, en ne compactant pas la partie supérieure ou inférieure de la colonne, formant ainsi des zo-nes tampon. De telles colonnes sont appelées colonnes semi-injectées.

Vibreur avec tuyau d’amenée de coulisadditionnel

Poussée statique

Porteur

Réalisation de la colonne

Matériaud’apport

Fonçage Réalisation du pied

Couche compressible

Couche d’assise

Sortie du matériau

Pied de la colonne

9

Ces éléments sont mis en œuvre en tant qu’amélioration de sol par inclusions rigides, ou encore en présence de matières organiques évolutives ou, en tant que pieux, pour reprendre des charges plus importantes.

Pieux vibroforés vibrobétonnés (Eliterre)

Dégarnissage d’un pieu vibroforé vibrobétonné

Section d’un pieu vibroforé vibrobétonné

Réalisation de pieux vibroforés vibrobétonnés

Equipements et mise en œuvreLes pieux vibrobétonnés sont réalisés sur toute leur longueur en béton prêt à l’emploi, pompé à travers le vibreur par une pompe à béton. La capacité de charge du pied de la colonne est augmentée en expansant celui-ci par plusieurs allers et retours successifs du vibreur dans le béton. Grâce à la contrainte admissible élevée du béton, le fût est alors bétonné en continu, en remontant.

Aspects géotechniquesAvec les colonnes vibroforées vibrobéton-nées, on ne vise pas un compactage du sol environnant. Mais tout comme pour les autres éléments de fondation du type pieux, on peut atteindre un degré d’amélioration important au niveau du pied de la colonne, donc une force portante particulièrement importante pour de très faibles tassements.

Conception du traitementLe procédé des pieux vibroforés vibro-bétonnés bénéficie en France d’un cahier des charges particulier et d’une garantie décennale.Le diamètre du fût des pieux vibroforés vibrobétonnés est de 40 à 60 cm. La force portante est calculée selon le cahier des charges. Ces pieux peuvent être armés par vibrofonçage d’une cage d’armatures dans le béton frais.

Mise en stationFonçage et

réalisation du piedBétonnage du fût

Couche compressible

Couche d’assise

Poussée statique

Porteur

Vibreur avecconduit debéton

Pompe à béton

Béton prêt à l’emploi

Sortie du béton

Pied de la colonne

10

Variantes des procédés de vibration profonde

Vibreurs en batterie et vibro ­compaction en milieu aquatiqueLa réalisation de travaux de grande enver-gure, en particulier sous l’eau, est facilitée par l’utilisation de vibreurs jumelés.

Pour la réalisation de colonnes ballastées des-tinées, par exemple, à la fondation de murs de quais ou de piles de ponts, le ballast est amené jusqu’à la pointe du vibreur par une pompe à gravier spécifique avant le fonçage des vibreurs.

Colonnes ballastées réalisées avec un vibreur sans sasDans certains cas particuliers, les colonnes ballastées peuvent être réalisées par des vibreurs pendulaires sous une grue, par voie sèche ou avec eau de lançage. Le lançage contribue à un fonçage plus rapide, à la stabilité du trou et, parfois, à l’obtention de diamètres plus élevés.On peut utiliser du matériau recyclé.

grès

Roche

argile, limon

Sol mou

sable remblayé après dragage

Pompe à gravier

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500

1000

1500

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-40

-20 20 400 5 10 15 200

400

0 50 100

150

1

2

0 0

Des moyens de contrôle efficaces et fiables

Des enregistreurs de paramètres électroni-ques peuvent être utilisés pour tous les pro-cédés de vibration profonde, pour contrôler l’obtention des critères d’exécution et établir les documents de récolement.

L’appareil de mesureLes données importantes de chaque étape de compactage peuvent être mesurées, en-registrées et imprimées sous forme de fiches individuelles et récapitulatives.

L’appareillage de mesure se compose

• d’unappareildecommandedanslacabine du porteur,

• d’uneunitécentraleavecenregistrementdes données,

• etd’unordinateuravecimprimante.

Les paramètres mesurésDifférentes données concernant le chantier sont enregistrées automatiquement lors de la réalisation des fondations. Les données telles que l’heure, la profondeur, l’avancement, la poussée verticale sur l’outil et l’intensité de courant du vibreur, peuvent de plus être pré-sentées sous la forme d’un graphique. Il est également possible d’enregistrer la consom-mation en énergie.

Clavier et unité centrale de l’appareil de mesure M5

Les essais de chargement sont un bon moyen de contrôle de l’amélioration du sol

Temps[s]

Programme : Vibration profonde (3.0.0)Machine n° : 9130517 Chantier n° : 1234173Lot n° : 0 Point n° : 241 N° : 15Date : 15.10.08 Heure : 05:10:47 Intervalle : 4sDensité : 1.5Légende :

Durée totale : 34.33 mn Prof. max. : 10.00 m Poids réel : 0.58 T/m

Poussée[bars]

Profondeur[m]

Intensité[A]

Avancement[m/mn]

Evènement Heure Prof. Energie Volume Poids Cumul Déviation Déviation Coulis net D/G AV/ARNuméro Désignation h:mn:s [m] [kVAh] [m3] [T] [T] [degrés] [degrés]

01 09 Début 05:10:47 0.1 0.00 0.00 2.98 2.98 -0.2 +0.302 10 Fin 05:45:08 0.1 21.03 0.00 2.79 5.77 -0.4 +0.2

Une société de Keller Group plc

www.keller-france.comwww.keller-mts.chwww.KellerHolding.com