En exploitant des procédés avant-gardistes, on est maintenant capable de bâtir sur une multitude de terrains. De la structure banale à l’exploit en matière d’architecture, le génie des ingénieurs est nécessaire pour expertiser, fouiller, fortifier et renforcer les sols. Le géotechnicien interroge et décide des attributs des terrains afin de dessiner, dans les agences techniques, les soubassements de tout édifice. L’amélioration des sols, même si elle reste généralement invisible, demeure l’élément primordial de n’importe quelle réalisation édifiée sur un terrain aux propriétés mécaniques modestes. Les progrès technologiques contemporains s’orientent vers des recours techniques plus économes et moins contraignants pour l’environnement.
La mise en valeur de terrains de qualité moyenne devient indispensable, à la lumière de l’essor de l’humanité et de son activité incessante. Certains types de sols, précédemment négligés de par leurs attributs mécaniques inférieurs, doivent faire l’objet d’un renforcement pour garantir la solidité des immeubles et des installations génie civil qu’ils sont appelés à supporter. Bien que peu visibles pour le néophyte du fait de leur intégration discrète, les techniques de renforcement sont omniprésentes et parties intégrantes de notre environnement quotidien (fondations, murs de soutènement, remblai de routes, rails de chemins de fer, etc.). Au-delà du défi technologique, aboutir à la construction d’infrastructures dans des zones classées inconstructibles symbolise un véritable enjeu stratégique, économique et environnemental dans de nombreuses circonstances courantes comme :
- réaliser une voie ferrée à grande rapidité (LGV) dans une région au sol compressible, lorsque cela est financièrement plus intéressant que de rediriger le tracé (comme par exemple la LGV SEA traversant la Dordogne),
- déployer des hangars dans une zone portuaire où les sols sont généralement très compressibles en raison de leur géologie côtière (par exemple, Port du Havre),
- ériger un aéroport sur une île artificielle au cœur de la mer (comme par exemple l’aéroport de Kobe au Japon).
1. Des méthodes sur-mesure pour répondre aux spécificités du terrain et à chaque champ d’application
Les terrains représentent des ressources intriquées, formées par un squelette de matière minérale d’une densité variable doté d’une porosité naturelle où se meut l’air et l’eau sans restriction. Les particules qui le composent proviennent d’un processus de fragmentation de la roche plus ou moins rugueuse en éléments tels que : galets, gravier, sable ou encore limon, et même de la décomposition chimique de certains composants de la roche en particules d’argile minuscules. Concernant les terrains perméables, notamment les galets, graviers et sables, l’eau s’y écoule sans entrave. À l’opposé, les terrains peu perméables voire imperméables, à l’instar des limons et argiles, ne permettent pas une circulation rapide. Par exemple, l’eau circule un million de fois plus lentement dans l’argile que dans le gravier. Il faut noter qu’au gré d’événements extérieurs tels que les inondations, les sécheresses ou les tremblements de terre, les propriétés mécaniques des sols sont susceptibles d’évoluer, devenant alors inadaptées à l’usage initial.
En accord avec le type de terrain analysé et la nature de l’édifice à construire, il s’impose le choix d’une stratégie de renforcement appropriée qui s’harmonise à la fois avec la qualité du sol en place et l’entourage. Le défi demeure de grande envergure comme l’évoquent les vestiges du passé (comme la tour de Pise par exemple). Deux techniques primordiales peuvent être adoptées pour augmenter les propriétés mécaniques des sols : par la modification de la structuration interne du sol en place et le renforcement du sol par l’introduction d’inclusions. Plus précisément, les procédés d’amélioration des sols permettent d’élever la compacité du sol en place, soit en diminuant le volume des interstices, par exemple en imposant un surplus de charge sur un sol saturé et en le laissant se tasser suite à l’expulsion de l’eau en surpression – on évoque dans cette situation la consolidation des sols -, soit en induisant des vibrations dans le sol afin qu’une densification se produise par reconfiguration des particules (compactage dynamique). Les techniques de renforcement des sols, à proprement parler, recrutent des éléments de renforcement verticaux ou horizontaux dans le sol. L’aspiration de toutes ces techniques est de permettre l’édification d’un ouvrage sans générer de contorsions excessives en surface ou des imperfections de stabilité.
2. Un éventail de solutions ingénieuses
Depuis la nuit des temps, l’homme a su mettre à profit différentes techniques d’amélioration des sols. Leur utilisation peut consister tant à réhabiliter les sols existants (voir Figure 1) grâce à l’insertion d’inclusions verticales martelées ou enfoncées dans le sol, qu’à concevoir des blocs de soutènement (représentés en Figure 2) par le biais de sols retravaillés et consolidés par l’emploi d’armatures horizontales (bandes, nappes, structures en nid d’abeilles, et plus) ou par l’ajout de fibres courtes ou continues.
Multipliant les efforts: Le raffermissement du terroir
Bien avant, nos ancêtres avaient déjà découvert les rudiments du renforcement des sols, et ceci à travers l’application judicieuse de pieux en bois. Pensé pour diffuser ou propager la pression venant des constructions vers des zones plus vastes ou plus solides du sol, ce procédé a longtemps prouvé son efficacité. En témoignent les recherches archéologiques près du hameau de Benais, dans le département d’Indre-et-Loire, où furent révélés les vestiges d’une voie romaine, témoignage silencieux de l’an 8 avant J.C. Le substrat routier était formé d’un empierrement de perrons, des pierres siliceuses, épais d’à peu près 30 cm. Ces dernières étaient disposées de chant, et parmi elles, platies profondément dans le soubassement sableux, l’on a trouvé usage de pieux. Le recensement compta 27 pieux, quelques-uns restent encore en lien avec l’empierrement. Taillés dans du chêne, ces pieux mesurent environ 1 m de long pour 30 cm de diamètre. Facilitant leur introduction dans le sol, leurs pointes ont été biseautées. On a même remarqué un alignement de 6 pieux, répartis en 3 groupes de 2, espacés entre eux d’environ 1,60 m à 1,70 m. Un témoignage poignant du génie innovateur de cette époque comme la formation, dans le sol, d’un réseau uniforme de composants rigides verticaux associés à une couche inférieure d’empierrement qui redistribue les charges de la route à la fois sur les têtes des composants verticaux et sur la terre qui les sépare. Voilà qui résume le concept actuel de tous les ouvrages sur sol renforcé, alliant à la fois un système régulier d’inclusions rigides verticales et une stratification horizontale de granulaire faisant office de matelas redistributeur.
Selon l’épaisseur de la zone sol compressible en question, les pieux peuvent être soit ancrés au pied dans une couche solide si la couche de substrat de qualité inférieure est étroite. C’est ainsi que les forces de la tête du pieu sont directement transmises par le biais du pieu vers la zone stable (pieux ancrés). Ou, ces pieux peuvent être assez longs pour transférer, par friction le long de leur longueur, la charge totale induite au sommet du pieu par l’ouvrage (figure 3).
Depuis lors, ces méthodes sommaires ont évolué vers une infinité de variantes dont le point commun est de contrer le tassement de surface du sol en place. Nous pouvons citer:
- Des inclusions rigides de béton, créées en poussant une tarière refoulante (que ce soit par rotation ou vibrofonçage) jusqu’à la couche de sol support et en injectant par gravité le béton à travers le pied de l’outil lors de sa remontée;
- Des colonnes ballastées, certainement les plus souples de toutes, constituées de matériaux granulaires, sans cohésion, refoulés et compactés dans le sol par passes successives;
- Des Colonnes de Jet Grouting, conçues en désagrégeant en profondeur le sol à l’aide d’un jet sous pression dans un forage, puis en mélangeant le sol érodé à un coulis auto-durcissant pour engendrer des colonnes dans le terrain;
- Des Colonnes de Soil Mixing, formées par malaxage avec le sol en place combiné à un liant (voie séche) ou un coulis (voie humide), créant une colonne verticale cylindrique.
Les techniques qui font actuellement fureur pour leur rapport qualité/prix et leur facilité de mise en œuvre sont celles dites de inclusions rigides. Leur efficacité est améliorée par la présence d’une couche granulaire renforcée (ou pas) par des nappes de renforcement disposées sous l’ouvrage. Ce procédé permet de borner à une valeur acceptable la pression verticale transmise au sol compressible et grâce à des mécanismes de transfert de charge, les pressions verticales imposées par l’ouvrage sont redirigées vers les pieux tout en réduisant au maximum les composantes horizontales de la charge susceptibles de nuire à l’intégrité des pieux.
Du point de vue écologique, il faut dire que ces solutions présentent un certain attrait. Elles ne requièrent pas d’excavation du sol en place, ce qui diminue la pollution liée au transport des matériaux et minimise le danger de transport de sols pollués. Le recours à des nappes géosynthétiques dans les plateformes granulaires amoindrit leur épaisseur et donc le besoin en matériaux « nobles ».
2.2. Optimisation de la résistance des terrains de remblaiement
Au travers des âges, l’humanité a constamment cherché à optimiser la résistance des terrains de remblaiement. Le secret réside souvent dans une combinaison délicate entre l’utilisation du sol et l’incorporation de matériaux étrangers, de manière ordonnée ou aléatoire. C’est ainsi qu’au huitième millénaire avant notre ère, en Mésopotamie, les ziggourats (d’immenses constructions) étaient renforcées par l’insertion de couches de paille tissée. L’une des plus antiques et mieux préservées est celle d’Our (vers la fin du IIIe millénaire av. J.C.), qui a servi de modèle à nombre d’édifices ultérieurs dans la même région. Les avancées technologiques ont permis depuis l’emploi de matériaux de renfort beaucoup plus efficaces.
Pour un exemple plus contemporain, remontons à 1957, sur une plage, où un ingénieux français du nom de Henri Vidal [2] fit une observation capitale. Il observa qu’un tas de sable maintenu par des aiguilles de pin reste plus stable et ne s’effondre pas sous le poids d’une personne, contrairement à un monticule sans support. Transposant ce constat dans le domaine du bâtiment, il mis au point une méthode novatrice de construction de murs de soutènement. Cette technique se décline en deux options principales :
- Un renforcement par l’usage de bandes plates, métalliques (Terre Armée) ou synthétiques disposées horizontalement et à des espacements réguliers.
- Un renforcement par l’intégration de nappes géosynthétiques
Quelle que soit la méthode, le parement vertical n’assume pas le rôle de soutien mais sert de protection contre l’érosion. La stabilité structurelle, quant à elle, est garantie par les armatures qui s’opposent à la déformation du sol grâce à la tension exercée. Cette approche est d’autant plus révolutionnaire qu’elle fait du sol renforcé le garant de sa propre stabilité. De fait, il n’est plus indispensable d’exécuter un mur de soutien érigé comme une butée contre le massif de la terre – Mur poids ou mur cantilever (voir Figure 6).
En raison de leur capacité à minimiser la superficie de l’ouvrage au sol et leur adaptabilité en terrains accidentés et peu accessibles (voir Figure 7), ces techniques connaissent une large prédominance. De par leur modularité, elles s’intègrent harmonieusement dans l’environnement, et certains parements peuvent être végétalisés, les rendant ainsi presque invisibles.
De plus, des fibres courtes ou étendues sont parfois, mais moins fréquemment, usitées pour renforcer les terrains (voir Figure 8). Ces fibres se mêlent au sol de façon homogène et agissent comme renfort de chaque secteur. Grâce à ce procédé, le mélange sol/fibre peut dissiper de l’énergie, ce qui est un atout indispensable pour la limitation des dégâts liés à une éventuelle explosion d’un réservoir de gaz. Ici encore, les éléments de renfort sont mis en tension grâce au frottement avec les grains de sol ou par la compression des grains dans le cas d’utilisation de fibres longues.
3. L’implication déconcertante de mécanismes aisément méconnus
Remarquons que les techniques de renforcement mobilisent des dynamiques d’interaction entre le sol et les assises renforcées. Ces dynamiques sont déconcertantes par leur complexité et contraignent à l’adoption de présuppositions réductrices pour figurer dans les modélisations analytiques ou numériques. Il convient de rappeler que la zone de contact entre le sol et l’élément de renforcement agit comme un conduit essentiel permettant le passage des forces du sol vers le renforcement. Une parfaite fluidité de cette interface signifierait une absence totale de transfert des efforts, conduisant ainsi à un renforcement complètement inefficace.
Alors qu’en avons-nous à dire sur cette fameuse interface ? C’est une zone dénuée d’épaisseur ou bien une épaisseur insignifiante ne dépassant pas quelques particules de sol, où les efforts développés dans le sol sont transférés à l’élément renforcé. Pour que le frottement maximal soit mobilisé à l’interface, il est impératif d’engendrer un déplacement relatif notable entre le renfort et le sol – un décalage d’au moins quelques millimètres, voire quelques centimètres en fonction des matières en jeu. La niveau de rugosité de l’interface joue un rôle déterminant sur la valeur des efforts susceptibles d’être transférés. Le plus souvent, un angle de frottement, dit aussi angle de Coulomb, est employé pour caractériser l’interface. Alternativement, la force et la direction des efforts peuvent varier en raison des cycles de chargement (déplacements relatifs positifs ou négatifs), d’où la complexité de modéliser efficacement le renforcement lors de sollicitations cycliques (par exemple, les effets du vent sur une éolienne, passages réguliers de véhicules ou de trains, les cycles de gel/dégel, ou les cycles de gonflement/retrait du sol).
Qu’en est-il des inclusions? Leur fonction, celle de consolider le sol, est palpable. Cependant, les stratégies d’action impliquées sont parfois sibyllines et fort différentes d’un renfort à un autre. Les fibres et les nappes géosynthétiques sont principalement sollicitées par des efforts de traction (pas de compression ni de flexion). Les géogrilles qui ont une certaine rigueur en flexion sont soumises à des efforts de traction et aussi de flexion (effort à angle droit avec le plan de la géogrille). Pour ce qui est des renforts verticaux tels que les pieux, ils sont généralement soumis principalement à des efforts de compression, bien que des efforts horizontaux soient tolérés dans certaines techniques.
Et en ce qui concerne le sol en lui-même, sa réaction au fil du temps peut s’avérer être un casse-tête. Il peut par exemple s’y opérer un transfert de charge des zones fragiles vers les zones plus solides. Cette réalité est communément décrite comme un effet dôme au-dessus des réseaux de pieux.
4. La perpétuelle progression des techniques d’avant-garde
La poursuite incessante de l’optimisation des méthodes et de la réduction du coût d’application reste une question épineuse qui mobilise l’armée mondiale des chercheurs. Le défi de l’intégration croissante de technologies nouvelles, de matériaux de pointe pour le renforcement, l’adaptation aux changements climatiques et des sols, génère une perpétuelle remise en question. Néanmoins, les outils d’investigation affichent une évolution parallèle, notamment pour le dimensionnement. Dans le cas d’ouvrages dits classiques, les méthodes de calcul ont fait leurs preuves et ont été validées. Cependant, pour les cas plus ambigus, les ingénieurs ont croissant recours à des modèles numériques sophistiqués. Les possibilités quasi illimitées des ordinateurs d’aujourd’hui permettent d’effectuer des calculs jadis inhérentement risqués et inconcevables.
Les calculs en ingénierie conventionnels (aussi appelés calculs numériques en continu), envisageant le sol comme un matériau consistant, sont abondamment utilisés lors des phases de dimensionnement. Chaque composant du renforcement et de l’interface est pris en compte. Grâce à des suppositions de calcul concernant les valeurs des paramètres de sol, les résultats acquis sont d’une appréciable précision.
Est-il concevable de souhaiter la mise en place d’un modèle numérique qui tiendrait compte de chaque grain de sol et chaque segment de renforcement ? En vérité oui, et certains esprits novateurs se sont approprié cet idéal. Les méthodologies numériques discrètes préconisent effectivement ce principe en donnant la possibilité de modéliser chaque grain de sol par des éléments de forme appropriée. Des lois d’interaction, définies entre les grains et les renforts, donnent la possibilité de reproduire avec une extrême précision le comportement des sols et des ouvrages renforcés. Bien que ces modèles soient particulièrement adaptés pour comprendre les mécanismes locaux à l’œuvre aux interfaces et dans le sol, leur application est limitée en raison de la complexité de la méthode et des temps de calcul potentiellement prohibitifs actuels. N’empêche que, dans quelques décennies, ces délais seront sans doute l’objet de sarcasmes.
Et qu’en est-il des experimentalistes dans ce contexte ? Ils ne sont pas délaissés car les techniques d’instrumentation et les capteurs continuent de progresser. Des mesures précises, auparavant non accessibles, peuvent aujourd’hui être réalisées, favorisant une meilleure compréhension des mécanismes de renforcement. Aussi bien les modèles réduits ou centrifugés en laboratoire, comme les ouvrages en vraie grandeur, font l’objet d’études minutieuses grâce à une instrumentation de pointe.
5. Une veille permanente sur les structures renforcées
En raison de leur technicité, les structures renforcées sont des édifices d’une complexité notable, nécessitant un suivi continu, en particulier lorsque les impliquations économiques et écologiques qu’ils déclenchent sont considérables. Face à une telle complexité, l’ingénieur géotechnicien a à sa disposition une multitude d’outils modernes et d’instruments de mesure sophistiqués qui lui permettent d’analyser et de prédire le comportement des constructions renforcées. L’équipement sophistiqué d’une structure peut être intégré dès le stade de la conception initiale, et offre la possibilité de surveiller les évolutions de l’édifice pendant les travaux, confirmant ainsi les calculs prévisionnels. Dans certaines situations, cet équipement peut être utilisé pour optimiser les calculs lors de la phase de construction du bâtiment, une méthode que l’on référera sous la dénomination de méthode observationnelle.
À partir de l’équipement d’une structure, une politique de Contrôle Sanitaire des Structures (SHM) peut être mise en œuvre. Cette politique ne se limite pas seulement aux procédures de vérification et prévoit l’organisation d’une stratégie de veille automatisée et bien planifiée permettant ainsi de surveiller la construction renforcée pendant toute la durée de son exploitation. Les approches SHM sont en pleine expansion grâce à la commercialisation de nouvelles générations de capteurs (en particulier les mesures par fibres optiques) et l’amélioration des moyens de communication et de transfert de données grâce aux centrales d’acquisition autonomes.
6. Que nous réserve l’avenir ?
Au coeur de notre ADN se niche ce désir irrépressible de conquête qui pousse notre espèce à étendre sans cesse ses frontières, s’efforçant même d’infiltrer des zones réputées auparavant inhabitées, y compris les profondeurs sous-marines. De concert avec cette soif exploration, une prise de conscience croissante de notre impact environnemental incite l’humanité à se tourner vers des technologies plus vertes et plus économiques. Pour répondre à ces enjeux, des scientifiques travaillent d’arrache-pied pour marier modélisation numérique et expérimentation concrète, espérant ainsi décrypter les mystères des interactions entre le sol et les structures qui y sont intégrées pour optimiser leurs méthodes de renforcement.
Parallèlement, les méthodes observationnelles, déjà en vogue, voient leur champ d’application s’élargir grâce à l’essor de l’auscultation géotechnique. Cela ouvre la voie à des perspectives d’exploration et d’optimisation inédites. En atteste l’usage surprenant de bactéries, ces petites recrues aux pouvoirs insoupçonnés qui, utilisées pour améliorer la portance des sols grâce à la technique de biocalcification – une véritable prouesse technologique – constituent également une voie prometteuse dans la dépollution de ces mêmes sols. L’avenir, à n’en point douter, s’annonce palpitant!
