ORGANISME NATIONAL DE CONTROLE TECHNIQUE DE LA CONSTRUCTION DU CENTRE AGENCE BEJAIA
LA CONSTRUCTION SUR SOLS GONFLANTS
I . INTRODUCTION Certains sols argileux soumis aux variations de la teneur en eau, peuvent augmenter ou diminuer de volume . Ces phénomènes cycliques de gonflement retrait provoquent des contraintes parasites dans les structures et au niveau des fondations. Ces contraintes engendrent des dommages dans les bâtiments, les autoroutes, les pavages, les pistes d ’aéroport et dans les structures l égèrement chargées.
Le gonflement des sols naturels est sp écifique à certains sols argileux et principalement lié aux variations de leur teneur en eau. Les variations de volume de ces sols argileux ne sont pas seulement proportionnelles proportionnelles aux fluctuations de la teneur en eau, c’est à dire de ces cycles pluviométriques et des déficits hygrométriques, facteurs climatiques, mais elles d épendent également pour une une large part de la nature minéralogique des argiles qui composent ces sols.
• Les structures légères et particulièrement les logements individuels, sont rarement con çus pour résister ou s’adapter aux cycles successifs de gonflement et des tassements argileux sensibles, qui accompagnent les cycles de pluies et de s écheresse.
• Les pressions de gonflement d éveloppées par le sol sous une semelle de fondation peuvent atteindre de 0,20
à 0,50 Mpa et l’ampleur des mouvements de 5 cm à 20 cm, c’est à dire des valeurs pour les quelles les bâtiments courants ne sont pas adapt és.
II . ASPECT MINERALOGIQUE DES SOLS ARGILEUX : Les particules argileuses sont douées de propriétés colloïdales ce qui explique la diversité du comportement de l’argile. Ces minéraux argileux ont en général une structure cristalline feuilletée. Ces minéraux sont classés en familles, espèces et variétés : •
Les trois (03) familles les plus connues sont : La kaolinite
• L’illite • La montmorillonite montmorillonite Les roches de cette derni ère famille peuvent absorber beaucoup d ’eau dans des proportions considérables en donnant lieu à des gonflements importants, car les liaisons d ’un feuillet à l’autre sont faibles et l’eau pénètre facilement entre les feuillets. Les principaux facteurs influant sur le gonflement sont :
• La nature minéralogique Avec un indice de gonflement de 0,50, les montmorillonites sont les plus gonflantes puis viennent les illites et les kaolinites. • La structure des matériaux Un matériau non remanié présentera des caractéristiques de gonflement plus importantes qu’un matériau remanié.
II. 1- Reconnaissance et Quantification des sols gonflants : II.1. 1- A l’échelle régionale pour l’étude géologique :
Une telle cartographie peut être envisagée au fur et à mesure de la connaissance de ces zones potentiellement gonflantes.
• II.1.2- A l’échelle microscopique par l’étude minéralogique : Ce type de diagnostic est généralement associé soit à une étude géologique exhaustive , soit à une étude géotechnique où l’en cherche la confirmation de r ésultats par une identification minéralogique. Les minéraux argileux gonflants (montmorillonite, illite) ayant des formes et des assemblages très caractéristiques, ainsi que les propriétés minéralogiques très spécifiques. Plusieurs méthodes sont couramment employées : - diffractométrie par rayon X, - microscope à balayage électronique.
II.1.3 - Par Caractérisation du sol : Dans la littérature technique, il existe plusieurs r ègles d’identification et de classification. Il y ’a celles qui sont basées sur un seul paramètres et d’autres sur la combinaison de deux (02) ou plusieurs param ètres, évidemment plus le nombre des param ètres combinés est grand plus la pr évision de potentiel de gonflement est meilleure ( SNETHEN 1977 ) IP (%) 15 15 –30 35
Potentiel de gonflement Faible ou nul Modéré
Élevé
WL (%)
Classification du taux de gonflement
0 - 20
Non gonflant
20 - 35
Faible
35 – 50
Moyen
50- 70
élevé
70 - 90
très
90
élevé
Extra élevé
Potentiel de GONFLEMENT en fonction de w L
WL (%)
IP (%)
Classification du gonflement
20 – 49
15 – 24
Faible à moyen
50 – 70
24 - 46
élevé
70
46
très élevé
Potentiel de GONFLEMENT en fonction de
Wl et IP
IP (%)
W (%)
WL (%)
Classification
18
15
20 - 35
Faible
15 – 28
10 -15
35 – 50
Moyen
25 – 41
7 – 12
50 - 70
élevé
11
70
45
très élevé
Evaluation du potentiel de gonflement en fonction de IP ; WL et W
III. Mesure de la pression de gonflement : La pression de gonflement d’une argile se détermine en laboratoire à l’essai oedométrique. L’échantillon est placé dans la membrane oedométrique et la mesure de la pression de gonflement se fait avec soulèvement nul . C’est à dire
qu’au fur et à mesure du développement du processus de gonflement au sein de l ’argile suite à l’hydratation progressive, on surcharge l ’échantillon pour empêcher toute variation de volume et ce jusqu’à l’équilibre. La contrainte finale qu’il aura fallu placer sur l’échantillon après l’hydratation complète est appelée pression de gonflement.
ESSAI A L’OEDOMETRE
ESSAI A L’OEDOMETRE: Argile gonflante
•
L’amplitude du gonflement pourra se mesurer sur le terrain par un suivi topographique de piquets
gradués implantés sur la surface concern ée. Cette
méthode est longue et nécessite plusieurs mois de lecture
• Les essais doivent s’effectuer sur des échantillons intacts.
III.1- Essai oedométrique : C’est un essai d’analyse du comportement du sol sous l’action d’une contrainte verticale avec blocage des déformations latérales. Il permet de tracer l ’évolution du tassement vertical en fonction des incr éments de contrainte. Le d échargement de l’échantillon par paliers permet également le suivi du gonflement des argiles . - La pression de gonflement
du sol ’g correspondant à la pression maximale que l’on doit maintenir sur le piston d’ un oedomètre pour maintenir constante le volume d’ une éprouvette saturée sous l’effet d’une contrainte ’ verticale donnée.
• III.1.1- Quelques paramètres de dé formation de sol :
P’ = 1 ( ’1 + ’2 + 3 v
•
1
= ( 1+
2+
3’) 3)
: contrainte moyenne
: déformation volumique
: déformation verticale
• Q = ( ’1 - ’3) : déviateur des contraintes • Cc : Indice de compression, c ’est la valeur absolue de la pente rectiligne d ’une courbe oedom étrique. Cc =
e1 – e0 Log ( ’1 / ’0)
• Cg : Indice de gonflement, c’est la valeur absolue de la pente de la partie rectiligne du début de déchargement. • Cg = e – emin
’1
Log ( ’v / ’v max )
’3
’2
III.1.2- Modèle de ZERVOYANNIS: Le modèle de ZEROYANNIS permet l’obtention du rapport Cc /Cg en fonction de l’indice de plasticité. • Cette corrélation est plus fiable pour des indices de plasticité IP variables de 20% à 40%. Cc /Cg = 2 + 0,77. IP
III.1.3- Retrait : Contrairement au gonflement engendr é par une augmentation de volume, une dessiccation entra îne un
tassement des sols gonflants sans qu’il y’ait eu la moindre modification aux contraintes totales appliqu ées.
L’incidence de ce ph énomène sur les ouvrages se manifeste par des tassements diff érentiels excessifs qui provoquent des fissures difficiles à traiter à cause de l’effet cyclique.
IV.1 Classification du gonflement : La vulnérabilité des ouvrages sur sols gonflants est en fonction du potentiel de gonflement qui se manifeste suivant les valeurs du soulèvement total pré visionnel.
Soulèvement Total
Classement
Groupe
- 0.50 cm
Très bon site
1
0.50 - 1.50 cm
Bon site
2
1.50 - 5.00 cm
Site moyen
3
5 - 10 cm
Mauvais site
4
0
Supérieur à 10 cm Très mauvais site
5
IV.2 Les sols gonflants et la construction :
Avant de donner quelques dispositions constructives permettant d’éviter le gonflement sous les fondations, il y’a lieu de citer quelques pratiques qu’il ne faut pas faire pour aboutir à un bon comportement de la construction.
Les Dix (10) Erreurs à Éviter : 1 – Éviter absolument les variations de la teneur en eau du sol de fondations, même dans le voisinage des constructions. La pratique courante sur chantier qui consiste à arroser le sol afin d’y faciliter l’exécution des excavations change sa teneur en eau. Par conséquent, il est important de laisser la fouille ouverte pour permettre l’évaporation totale de l’eau et ne pas couler immédiatement la fondation.
2 – Ne jamais faire confiance au seul calcul d’équilibre des fondations, car le phénomène de gonflement est tr ès hétérogène et reste toujours différentiel dans la ré alité.
PROBLEME D’EQUILIBRE ENTRE LES FORCES TRANSMISES ET LES REACTIONS AU NIVEAU DU SOL.
3 – Éviter la pose des drains pr és des fondations : Les sols gonflants sont souvent argileux et imperm éables ce qui pose la difficulté de leur drainage par simple gravité.
4 - La rigidification des fondations et de la structure à elle seule ne suffira pas. Des dispositions constructives suppl émentaires doivent être prises pendant la conception et la r éalisation de l’ouvrage. Il est à signaler que certaines pressions de gonflement atteignent plusieurs centaines de Kpa et parfois aucune structure courante en béton armé ne peut accepter les moments de flexion qui en résultent.
5 - Les fondations sur puits fondé s à un niveau non gonflants sans protection sur le fû t ne sont pas acceptables : En effet, les forces de frottement latéral qui na îtront sur les parois donneront les mêmes résultats sauf si des précautions particulières ont été prévues pour éliminer ces frottements.
6 - Faire une bonne conception du r éseau d’ assainissement intérieur : - Éviter la disposition des salles d’eau au centre de la construction mais plutôt aux endroits les plus proches du r éseau d’évacuation des eaux usées et celui de l’ AEP. - Toutes les pentes aux alentours du bâtiment doivent être nettement orientées vers l’extérieur et aucune stagnation des eaux ne doit être tolérée
.
7 - Les canalisations d’évacuation doivent être conçues en matériaux souples et flexibles supportant les déformations engendrées par le gonflement. Ne jamais lier les réseaux divers (alimentation et évacuation), à la structure du bâtiment. Ces derniers doivent être ind épendants de la construction pour qu’ils ne soient pas entra înés par le mouvement de la structure en cas de gonflement.
8 - Faire un dimensionnement ad équat des réseaux afin d’assurer une bonne circulation des eaux, il y’a lieu de respecter la hiérarchie dans le dimensionnement du réseau des eaux usées ainsi que les pentes d’écoulement. 9 - Intervenir rapidement pour la r éparation des fuites du réseau d’ AEP ou d’assainissement. 10 - Éloigner les espaces verts et les plantations par rapport aux ouvrages notamment ceux à grande consommation d’eau.
V-
RECOMMANDATIONS RELATIVES A LA
CONCEPTION DES OUVRAGES
-
:
Les constructions implant ées sur des sols gonflants doivent
être capables de dissiper l’énergie due aux mouvements de gonflement de manière à limiter le transfert de cette énergie dans les éléments non structuraux comme les cloisons.
- Néanmoins, il est intéressant de classer les solutions en fonction du degré de gonflement exprimé en centimètre (cm) de soulèvement. - Les présentes dispositions demeurent préventives, elles n’annulent pas les effets du gonflement des argiles, mais elle le limite. Cependant, les solutions d éfinitives existent mais leur co ût reste une contrainte insurmontable pour les constructions l égères du type RDC ou (R+1.)
V.1- Prescriptions techniques g énérales : La construction sur les sols r éputés gonflants nécessite la prise en compte des règles élémentaires suivantes aux fins de minimiser les effets néfastes :
• • • • • • •
Suppression de toute arriv ée ou retrait d ’eau (Drainage périphérique associé à un système de collecte d’eau souterraine dans le cas des sites en pente). Pas de plantations ni d ’espaces verts susceptibles d’avoir une influence au niveau des fondations. Éviter les flux de chaleur (fours). Pas de rupture de canalisation , en particulier au passage entre la construction et l’extérieur. Éviter les fuites accidentelles (fuites de réservoir). Imperméabilisation des abords p ériphériques avec une liaison souple à la construction. Pose d’une membrane imperméable sous les remblais éventuels servant d ’assise aux dallages inférieurs.
a - Solution Type S1
•
Cette solution adapt ée aux constructions sur sols faiblement gonflants, consiste à réaliser l’ouvrage d’une manière tout à fait courante en étanche issant les sales d’eau et en les surélevant de 20cm par rapport au niveau du sol.
• Cette dernière disposition vise à augmenter les pentes d’écoulement. • Néanmoins, toutes les recommandations concernant la bonne conception et la bonne r éalisation doivent être scrupuleusement respect ées.
TRAITEMENT DU TYPE S1
b- Solution Type S2 : • Il s’agit de la substitution de sol en profondeur par un remblai peu perméable et insensible à l’eau. Ce remblai doit être compact é par couches successives d’épaisseur maximale 30cm jusqu’à atteindre un indice CBR de 20 à 30.
•
Le remblai débordera de 1m au minimum des limites de la construction et sera sur élevé de 20 cm par rapport au terrain naturel.
• Avant de remblayer, couvrir l ’excavation par un film en polyane qui assurera la fonction d ’une membrane étanche du moins pendant le compactage du remblais.
Traitement du type S2
c- Solution Type S3 : • Cette solution pr évoit un remblai inerte plus important (1,50m à 2m) surélevé de 20 à 40 cm par rapport au niveau de chauss ée. • Un vide sanitaire est pr évu en infrastructure . Les fondations doivent être reliées par un r éseau de longrines assez rigides dimensionnées en flexion . Le remblai doit être fini par des pentes vers l’extérieur comme s’il s’agissait des pentes évacuant les eaux de pluie dans une terrasse.
•
Le vide sanitaire doit avoir une hauteur suffisante pour permettre le
décoffrage. • Toutes les autres précautions prévues dans la solution S1 doivent être vérifiées.
TRAITEMENT DU TYPE S3
VI. TYPOLOGIES DES FISSURES DUES AU GONFLEMENT DIFFERENTIEL :
Quand une fondation posée sur un sol gonflant dont la teneur en eau est modifiée, elle commence un mouvement ascendant entra înant avec elle toutes les parties de la structure qu ’elle supporte directement. Les cons équences du gonflement diff érentiel d’un sol sont
reconnaissables à travers la typologie des fissures qu’on observe et qui affectent les constructions de mani ère
systématique en présence d’eau. Autrement dit, les conséquences de ce mouvement différentiel sont des fissures obliques touchant le panneau de façade quand il s’agit d’une fondation de rive ou deux (02) à quatre (04) panneaux quand il
s’agit d’une fondation d ’angle ou centrale.
•
Il y’a lieu de pr éciser que ces fissures sont caractérisées par leur inclinaison
à 45 degrés par rapport à l’horizontal. Elles se caract érisent également par leur convergence syst ématique vers l ’endroit ou le sol a été humidifié. •
Quand le potentiel de gonflement n ’est pas
important, les déplacements différentiels qu’il engendre
peuvent être absorbés par la structure sans pour autant affecter les cloisons par une quelque fissuration.
VI. 1 AUTRES CONSEQUENCES DU GONFLEMENT DE SOLS :
D’autres conséquences peuvent être observées à la suite d’un gonflement du sol sous une construction. Les cons équences ne sont pas toujours syst ématiques et se résument comme suit : • • • •
Les portes et fenêtres ne ferment plus . (Cette conséquence est aussi observée à la suite d ’un tassement).
Gonflement et fissuration du plancher bas . Difficultés dans l’évacuation des eaux vannes à cause de la pente d’écoulement qui devient quasi nulle suite au gonflement.
• Une fissuration dans les cloisons éloignées de la source de gonflement due au mouvement général de la structure. Il est clair que le traitement de ces effets n ’aura aucun sens tant que l ’origine de cette pathologie n ’est pas éliminée.
TYPE DE FISSURES DUES AU GONFLEMENT
FISSURES INCLINEES SUR LES CLOISONS.
VI.2 REMEDES : (Résumé)
• Exiger des études de sol détaillées. • Maintenir un taux d’humidité naturel du sol par protection exté rieure (Drainage périphérique, imperméabilisation, étanchéité anticapillaire). • Recherche de niveau d’assise de fondations insensible aux variations de température et d ’humidité (un ancrage min de 1,50 m sous r éserve d’atteindre le bon sol.) • Assurer une meilleure rigidité de l’ouvrage (infrastructure) dimensionnement sous l’action des pressions de gonflement. • Éviter les dallages sur terre pleine, privilégier les vides sanitaires avec voile périphérique étanche ou la substitution de sol. • Adopter un système d’évacuation (AEU- DEP) souple. • Proscrire la proximité des arbres et arbustes D > hauteur de l ’arbre. • Prendre en considération les phénomènes de solifluxion engendrés par le retrait- gonflement des sols dans les terrains en pente.
VII. Conclusion Le gonflement des sols est un ph énomène fort complexe qui fait intervenir un grand nombre de param ètres. Les désordres qui en r ésultent sur les constructions sont parfois irr éparables et leur reprise en sous
œuvre
est souvent lourde et coûteuse. A cet effet, la prise en compte de ce phénomène au stade de la conception de la structure et l’étude
géotechnique détaillée avec mesure des diff érents paramètres Physicomécaniques gouvernant le comportement du sol est une n écessité absolue. - Les méthodes de traitement développées dans les laboratoires de recherche sont d’une application limitée et se chiffrent à des coûts élevés. - L’application des dispositions constructives é numérées précédemment contribue également à la réduction voire l’annulation des effets du gonflement des argiles sur les constructions.
QUELQUES DTAILS CONSTRUCTIFS Extraits du guide BRGM sur la Construction Économique sur Sols Gonflants
