Le renforcement de sol par colonnes ballastées est une méthode avancée destinée à améliorer la capacité portante de terrains aux propriétés géotechniques initialement inadéquates pour des fondations superficiielles. Cette technique implique l’insertion de colonnes, ou puits, remplies d’un matériau qui est à la fois perméable à l’eau et possède des propriétés mécaniques supérieures, communément appelé « ballast ». Ce procédé, comme d’autres techniques de renforcement de sol, vise à adapter et sécuriser le terrain pour des constructions nécessitant des fondations fiables et stables.
Histoire du renforcement de sol par colonnes ballastées
Karl Henrik Karlsson, ingénieur civil suédois spécialisé en ingénierie géotechnique, s’est illustré par son approche innovante face aux défis posés par les sols mous et instables, particulièrement prévalents en Suède. Confronté aux difficultés de construction sur des terrains argileux et tourbeux, caractérisés par une faible capacité portante et une tendance au tassement, Karlsson a été motivé par la nécessité de développer une solution durable. Sa vision était de transformer ces terrains inutilisables en sites viables pour des projets d’infrastructure majeurs. L’environnement géotechnique suédois, exigeant et complexe, a servi de toile de fond à son ambition d’innover dans le domaine de la stabilisation des sols.
La technique de renforcement de sol par colonnes ballastées, fruit de cette ambition, a marqué une avancée significative dans l’ingénierie géotechnique. Karlsson a conceptualisé une méthode où des colonnes de matériaux granulaires, telles que du gravier ou des pierres concassées, étaient insérées dans le sol pour en améliorer la capacité portante et réduire le tassement. Ce procédé a non seulement permis de stabiliser les sols mous mais a également ouvert la voie à une construction plus sûre et durable sur ces terrains.
L’innovation de Karlsson a rapidement gagné en popularité, devenant une pratique standard dans le domaine. Son impact dépasse les frontières de la Suède, la technique étant adoptée internationalement pour divers projets de construction. Le legs de Karlsson réside dans cette contribution majeure, qui continue d’influencer les méthodes modernes de renforcement de sol et de gestion des défis géotechniques.
Fonctionnement de la technique de renforcement de sol par colonnes ballastées
Le renforcement de sol par colonnes ballastées vise à améliorer les propriétés géotechniques d’un sol. Ce processus implique le remplacement local du sol peu résistant par un matériau granulaire frottant, augmentant ainsi la résistance mécanique globale du composite « sol plus colonnes », notamment en termes de compressibilité.
Dans les cas où le sol argileux est saturé d’eau, rendant impossible l’amélioration de la portance par compactage, cette technique permet de renforcer les terrains instables ou sujets à le devenir lors de sollicitations telles que les séismes. Pour les sols silteux, les colonnes ballastées densifient le substrat. Une alternative est le renforcement par inclusions rigides, consistant à insérer dans le sol des éléments verticaux en béton ou en bois.
La colonne ballastée est installée à travers la totalité de la couche de sol faible, détendue ou humide, atteignant une couche sous-jacente aux qualités géotechniques supérieures. Toutefois, à la différence des fondations profondes qui transfèrent les charges vers un substratum rocheux ou une couche porteuse, le renforcement par colonnes ballastées améliore la portance de la couche de sol traitée.
Les colonnes répartissent les charges à travers une couche de qualité inférieure vers une couche résistante en dessous, exploitant la propriété d’étreinte latérale du sol traversé. Ainsi, c’est l’ensemble de la couche de sol renforcée qui est sollicitée, et non seulement la colonne. De plus, le matériau drainant de la colonne favorise la consolidation naturelle du sol.
Ce procédé est particulièrement efficace pour les sols contenant des argiles hydrogonflantes, prévenant les désordres dus au retrait-gonflement. Le terrain traité doit permettre une étreinte latérale effective de la colonne pour éviter sa dispersion sous l’effet des charges.
Cette technique, traitant globalement la portance d’un terrain, est adaptée pour de grands ouvrages, tels que bâtiments ou voiries. Il est crucial de comprendre qu’il s’agit d’une solution globale, contrairement aux traitements ponctuels comme les fondations profondes. Des défaillances ont été observées lorsque des colonnes ballastées ont été employées comme pieux, entraînant des tassements significatifs.
Dans quel contexte utiliser cette technique de renforcement des sols
- Réduction des tassements
- Réalisation de fondation superficielle
- Augmenter la capacité portante, permettant une réduction de la taille des semelles
- Augmenter la rigidité du massif de sol
- Augmenter la résistance au cisaillement
- Assurer la stabilisation des talus
- Réduire les phénomènes de ‘lateral spreading’ induit par un séisme
- Traiter le potentiel de liquéfaction
- Limiter les déblais
Mise en oeuvre
L’étude d’un renforcement de sol par colonnes ballastées implique la synergie entre deux professions clés de la construction. D’un côté, le géotechnicien diagnostique et identifie les sols aptes à ce type de renforcement, évaluant leur compacité et leur adéquation pour l’installation des colonnes. De l’autre, l’ingénieur structure procède au dimensionnement des ouvrages de renforcement conformément au DTU 13.23.
L’exécution de ce renforcement est assurée par des entreprises spécialisées, souvent opérant dans le domaine des fondations spéciales, bien que le renforcement de sol par colonnes ballastées se distingue des fondations traditionnelles par son objectif d’amélioration des caractéristiques géotechniques du sol.
Deux méthodes principales de mise en œuvre existent : la voie sèche et la voie humide, chacune avec ses particularités dans l’application du ballast. Néanmoins, les étapes préparatoires restent identiques, indépendamment de la méthode choisie. Depuis la plateforme préparée par le terrassier, un atelier est installé pour commencer la réalisation des colonnes, traitant progressivement toute la zone concernée. Après cette étape, les fondations superficielles sont établies directement sur la tête de chaque colonne.
Voie sèche
Cette méthode, aussi connue sous le nom de « système bottom feed », consiste à acheminer le ballast au fond du vibreur, tout en évinçant le sol substitué grâce à un sas pressurisé. Les graviers sont amenés par une pompe spécifique.
Voie humide
Pour la voie humide, la cavité destinée au gravier est créée par injection d’eau sous pression, avec extraction des matériaux substitués en surface.