contrôle du compactage des remblais au moyen du penetrometre
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contrôle du compactage des remblais au moyen du penetrometre
CONTRÔLE DU COMPACTAGE DES REMBLAIS AU MOYEN DU PENETROMETRE DYNAMIQUE LEGER TYPE PANDA CONTROLE OP DE VERDICHTING VAN OPHOGINGEN MET BEHULP VAN HET LICHTE DYNAMISCHE SONDEERAPPARAAT PANDA lic BENOÎT JANSSENS Centre de Recherches Routières (CRR) ir BERNARD DETHY, ir FRANK THEYS Centre de Recherches Routières (CRR) ir PHILIPPE WELTER, ir GEOFFREY JASPAR SPW - Direction de la Géotechnique Summary In het Waalse Gewest kan de verdichting van ophogingen nu ook worden geontroleerd door middel van een nieuwe proef met de lichte dynamische slagsonde met variabele slagenergie PANDA®, ontwikkeld door het Franse bedrijf Sol Solution. Le contrôle du compactage de remblai en Région Wallonne peut être réalisé par un nouvel essai, le pénétromètre dynamique léger à énergie variable appelé PANDA® et développé en France par Sol Solution. Cet appareil permet d'obtenir la résistance à l'enfoncement d'une pointe en fonction de la profondeur. Les valeurs ainsi obtenues sont par la suite comparées à des courbes de référence établies également par la société française. Met dit toestel kan de puntweerstand worden bepaald in functie van de indringingsdiepte. De verkregen waarden worden vervolgens getoetst aan referentiewaarden, die eveneens door het genoemde bedrijf zijn bepaald. Ces courbes dépendent de la nature des terrains, de la teneur en eau et du taux de compactage. Elles sont couramment utilisées en France pour les terrassements mais difficilement applicables telles quelles en Wallonie. Deze referentiewaarden zijn afhankelijk van de grondsoort, het watergehalte en de verdichtingsgraad. Zij worden in Frankrijk gebruikt bij grondwerken, maar zijn in Wallonië moeilijk als zodanig toe te passen. Om dit te verhelpen, gaf SPW onder meer het OCW de opdracht referentielijnen te bepalen voor twee grondsoorten: fijne grond en zandgrond. Afin de résoudre ce problème, le SPW a confié notamment au CRR, la tâche d'élaborer des courbes de référence pour 2 types de sols : les sols fins et les sables. Dans ce cadre, le CRR a réalisé une Eind 2010 legde het OCW daartoe een première planche d'essais fin 2010 eerste proefvak aan betreffende de controle concernant le contrôle du compactage. van de verdichting. Deze bijdrage geeft de resultaten van de verschillende beproevingsmethoden die op dit proefvak zijn toegepast en bespreekt de mogelijke vergelijkingen tussen deze methoden. Tevens vergelijkt zij de resultaten van laboratoriumproeven met die van metingen in situ. Le présent article fournit les résultats des différentes méthodes d'essais mises en œuvre lors de cette planche, les comparaisons possibles entre les différentes méthodes ainsi qu'une comparaison entre les résultats obtenus en laboratoire et ceux mesurés in situ. 1 1. Introduction Le contrôle du compactage en profondeur d'un remblai en Région Wallonne est réalisé principalement au moyen de la sonde de battage légère type CRR et depuis peu, par le pénétromètre dynamique léger à énergie variable appelé PANDA® (Sol Solution) et développé en France. Cet appareil permet d'obtenir la résistance à l'enfoncement d'une pointe en fonction de la profondeur. Les valeurs obtenues doivent être par la suite comparées à des courbes de référence établies pour des sols français par Sol Solution qui dépendent de 3 paramètres distincts (nature des terrains, teneur en eau et taux de compactage). Il existe de ce fait, un grand nombre de courbes qui sont difficilement applicables telles quelles en Wallonie. Afin de résoudre ce problème, le Service Public de Wallonie (SPW) a décidé d'établir ses propres critères de référence à introduire dans le cahier des charges-type wallon (QUALIROUTES). Dans ce cadre, une convention signée entre le SPW et le CRR a permis de réaliser une première planche d'essais consacrée aux sables et à un sol fin traité à la chaux, les sols fins purs n'ayant pu être étudiés à cette occasion suite à une teneur en eau trop importante des matériaux livrés sur site. Le but de cette planche d'essai est de comparer les résultats obtenus par l'appareil PANDA avec d'autres méthodes de contrôle de compactage dont celles notamment reconnues dans le QUALIROUTES comme l'essai à la plaque belge et la sonde de battage légère type CRR. Des mesures au gammadensimètre, à l'anneau volumétrique, à la plaque dynamique légère allemande (light-drop), au déflectomètre PRIMA L-FWD 100 et au pénétromètre statique (CPT) ont également été réalisées. 2. Principe du pénétromètre dynamique variable léger type PANDA L'essai PANDA consiste à enfoncer dans le sol par battage manuel, un train de tiges muni à son extrémité inférieure d'une pointe conique (2 ou 4 cm²) et à mesurer la résistance dynamique à l'enfoncement du matériau en place selon le principe repris ci-dessous. Illustration 1 - Principe du pénétromètre dynamique léger PANDA. 2 La résistance dynamique à la pointe (qd) est par la suite déterminée sur base de la formule des Hollandais et permet d'établir une représentation graphique de la résistance dynamique en fonction de la profondeur appelée pénétrogramme. L’essai est réalisé pour deux situations différentes : La reconnaissance des terrains : L'interprétation des résultats permet de vérifier notamment l'homogénéité ou l'hétérogénéité des terrains ainsi que la présence éventuelle d'anomalies. Le contrôle de la qualité du compactage : Le pénétrogramme obtenu est comparé à des droites de référence établies par Sol Solution afin de déterminer la qualité du compactage sur base de la nature du matériau, sa teneur en eau et sa compacité. Le pénétrogramme permet également de contrôler l'épaisseur des couches traitées. Illustration 2 – Exemple de pénétrogramme et de courbes de référence de l'appareil PANDA. 3. Réalisation de la planche d'essais Lors de la planche d'essais réalisée sur le site SAGREX à Quenast, trois types de matériaux ont été testés, à savoir un sable naturel (provenant de la sablière de Mont-Saint-Guibert), un sable dolomitique de concassage (issu de l'unité de traitement des granulats de la carrière de Marche-les-Dames) et un limon traité à 2 % de chaux. Illustration 3 – Schéma de la planche d'essais réalisée. 3 Chaque matériau est disposé en bloc (L : 10 m et l : 5 m). Chaque bloc est découpé en 5 bandes caractérisées par un nombre distinct de passages au compacteur (2, 4, 6, 8 et 10 passages). Ces subdivisions ont ainsi donné naissance à 15 parcelles distinctes. Les matériaux ont été mis en œuvre en 6 couches de 30 cm d'épaisseur et compactés par un compacteur de type BOWAG BW-211D. Les différentes parcelles testées ont fait l'objet par couche, des essais suivants: 4 essais PANDA dont 2 à la pointe de 2 cm² et 2 à la pointe de 4 cm². 1 essai à la sonde de battage légère type CRR. 1 essai à la plaque statique belge. 3 essais à la plaque dynamique allemande. 1 prise d'échantillon par anneau volumétrique avec mesure de la teneur en eau. 3 emplacements de mesure au gammadensimètre avec mesure tous les 5 cm sur 30 cm de profondeur. Illustration 4 – Vue de la planche d'essais en cours de réalisation. Quelques essais complémentaires ont été réalisés ponctuellement : Des forages manuels avec prise d'échantillons et mesure de la teneur en eau. Des essais PANDA à la pointe de 4 cm² réalisée à la batteuse automatique. Des essais au déflectomètre léger PRIMA L-FWD 100. Des essais de pénétration statique 200 kN. 4. Synthèse des résultats obtenus Les matériaux testés ont fait l'objet préalablement d'une identification et d'une caractérisation afin de pouvoir être classés selon les classifications belges et françaises (GTR). Un essai Proctor avec mesure de l'IPI a permis de déterminer la densité optimale de chaque matériau. 4.1. Etude du sable naturel (sable de Mont-Saint-Guibert) Le sable peut être identifié comme un sol grossier (II - sable) selon la classification belge et comme un sol B5 (sable et grave très silteux), voire un sol B2 (sable peu à moyennement 4 argileux) selon la classification GTR. Il s'agit d'un sable homométrique (grains anguleux) avec 9,9 % de particules fines argileuses. L'essai Proctor réalisé sur le matériau donne une valeur de masse volumique sèche de 1,72 gr/cm³ à l'optimum Proctor pour une teneur en eau optimale située à 15,3 %. Lors de la réalisation de la planche d'essais, la teneur moyenne en eau du sable mis en œuvre est égale à 12,5 %, soit un état hydrique sec selon la classification française. Les mesures de densité déterminée selon l'anneau volumétrique et le gammadensimètre ont permis de tirer les conclusions suivantes : La densité déterminée au moyen de l'anneau volumétrique montre une augmentation progressive avec le compactage jusqu'à l'obtention d'une valeur maximale après 8 passes (96,8 %). Les valeurs moyennes satisfont au critère du cahier du QUALIROUTES en ce qui concerne la couche de remblai (> 95 %) mais ne satisfont pas au critère pour un fond de coffre (> 98 %). La densité réalisée au gammadensimètre sur la tranche superficielle (10 cm de profondeur) augmente progressivement avec le nombre de passes sans connaître un sommet (de 92,2 à 94,7 %). Les valeurs moyennes mesurées ne satisfont cependant pas aux différents critères du QUALIROUTES. La densité déterminée au gammadensimètre sur la tranche profonde (10 à 25 cm de profondeur) montre une augmentation progressive sans connaître un sommet. Les valeurs moyennes satisfont au critère du QUALIROUTES en ce qui concerne la couche de remblai mais ne satisfont pas au critère pour le fond de coffre. L'évolution de la densité en fonction de la profondeur montre une évolution particulière de la densité caractérisée par une partie superficielle décompactée suite probablement à la vibration du compacteur, une densité maximale observée à une profondeur de 20 cm et une diminution de la densité par la suite. Les mesures de portance déterminée à partir de l'essai à la plaque statique belge, de la plaque dynamique allemande et du déflectomètre léger montrent les résultats suivants : Le coefficient de compressibilité M1 passe progressivement d'une valeur de 8,1 à 14,4 MPa (8 passes). Les valeurs moyennes satisfont au critère du QUALIROUTES en ce qui concerne la couche de remblai (> 11 MPa) mais ne satisfont pas au critère pour un fond de coffre (> 17 MPa). Le rapport m (M2/M1) est généralement élevé; ce qui traduit un problème de compactage lié probablement à la déconsolidation de la partie superficielle. Le module de déformation dynamique allemand (Evd) augmente avec le nombre de passes sans connaître un sommet. Les valeurs passent de 22,9 à 31,4 MPa. Il n'existe pas de critère pour ce type d'essai dans le QUALIROUTES mais les valeurs sont généralement inférieures aux critères utilisés en Allemagne pour un fond de coffre. 5 Les mesures de résistance à l'enfoncement d'un cône déterminée à partir de l'appareil PANDA, de la sonde de battage légère type CRR et de l'essai de pénétration statique 200 kN, montrent les es résultats suivants : La résistance dynamique mesurée avec l'appareil PANDA est généralement plus faible que la courbe de référence SOL SOLUTION pour un matériau B5 s mais est supérieure à la courbe de refus. La résistance dynamique augmente par paliers correspondant aux différentes différen couches. Deux courbes de référence ont pu être établies à partir des résultats recueillis. re Illustration 5 – Courbes de référence du pénétromètre dynamique PANDA déterminées à partir des mesures réalisées réalisé sur le sable pur de Mont-Saint-Guibert. Guibert. Il n'y a pas de différence notoire entre les 2 diamètres de pointes (2 et 4 cm²). L'enfoncement enfoncement déterminé au moyen de la sonde de battage légère type CRR est généralement très inférieur aux critères d'un sol grossier requis pour une couche de remblai (< 40 0 mm/coup) mm/coup et un fond de coffre (< 24 mm/coup). mm/coup Les essais à la sonde de battage légère type CRR présentent une courbe enfoncement - profondeur similaire au pénétrogramme PANDA. Des courbes de référence ont été proposées. proposées Illustration 6 - Courbes ourbes de référence de la sonde de battage légère type CRR déterminées à partir des mesures réalisées réalisé sur le sable pur de Mont-Saint-Guibert. Guibert. 6 Les essais de pénétration statique 200 kN montrent une évolution similaire à ceux de l'essai PANDA avec une profondeur critique généralement plus élevée due probablement à un diamètre plus grand du cône. 4.2. Etude du sable de concassage (sable de Marche-les-Dames) Le sable de concassage peut être identifié comme un sol grossier (II – sable graveleux) selon la classification belge et comme un sol D1 (sable propre) selon la classification française GTR. Il s'agit d'un sable à répartition uniforme de grains subanguleux et contenant 5,3 % de particules fines argileuses. L'essai Proctor réalisé sur le matériau donne une valeur de masse volumique sèche de 2,08 gr/cm³ à l'OPN pour une teneur en eau optimale située à 7,9 %. Lors de la réalisation de la planche d'essais, la teneur moyenne en eau du sable mis en œuvre équivaut à 5,3 %, soit un état hydrique sec selon la classification française. Les mesures de densité ont permis de tirer les conclusions suivantes : La densité déterminée avec l'anneau volumétrique montre que le taux de compactage maximal varie peu avec le nombre de passes et que les valeurs moyennes ne satisfont pas aux différents critères du QUALIROUTES. La densité mesurée au gammadensimètre sur la tranche superficielle augmente avec le nombre de passes pour atteindre un plateau après 6 passes. Le taux de compactage passe ainsi de 88,3 % à 91,2 %. Les valeurs moyennes ainsi mesurées ne satisfont pas aux différents critères du QUALIROUTES. La densité déterminée au gammadensimètre sur la tranche profonde montre une augmentation progressive avec le nombre de passes sans connaître un sommet. Le taux de compactage passe de 91,1 à 95,4 % de l'OPN. Les valeurs moyennes ne satisfont aux différents critères du QUALIROUTES qu'après 10 passes. Les mesures de portance ont montré les résultats suivants : Le coefficient de compressibilité M1 augmente progressivement avec le nombre de passes sans connaître un maximum. Les valeurs passent de 12 à 16 MPa pour 10 passes. Les valeurs satisfont au critère du QUALIROUTES en ce qui concerne la couche de remblai (> 11 MPa) mais ne satisfont pas au critère pour un fond de coffre (> 17 MPa). Le rapport m (M2/M1) est généralement élevé; ce qui traduit également un problème de compactage. Le module de déformation dynamique allemand (Evd) semble connaître un sommet pour 6 passes. Les valeurs passent de 22,4 à 31,4 MPa. Il n'existe pas de critère pour ce type d'essai dans le QUALIROUTES mais les valeurs sont généralement inférieures aux différents critères utilisés en Allemagne pour un fond de coffre. Il convient de noter de bonnes analogies de valeurs avec celles du sable pur. 7 Les mesures de résistance à l'enfoncement d'un cône montrent les résultats suivants : La résistance dynamique mesurée avec l'appareil PANDA est généralement plus élevée que la courbe de référence fournie par le logiciel pour un matériau D1. La résistance dynamique augmente par paliers correspondant aux différentes couches. La comparaison des résultats obtenus avec les courbes de référence obtenues pour le sable pur (Mont-Saint-Guibert) montre une bonne validation de celles-ci. Il n'y a pas de différence notoire entre les 2 diamètres de pointes (2 et 4 cm²). Les valeurs d'enfoncement déterminé au moyen de la sonde de battage légère type CRR sont généralement très inférieures aux critères d'un sol grossier requis par le CCT. Les essais à la sonde de battage légère type CRR présentent une courbe d'enfoncement en fonction de la profondeur similaire à celle observée pour l'essai PANDA. Les courbes ont été comparées avec les courbes de référence établies pour le sable pur. Les résultats montrent une bonne corrélation avec les valeurs de portance. Les essais de pénétration statique 200 kN montrent également une évolution similaire à ceux de l'essai PANDA. Une corrélation PANDA 4 cm² - CPT 200 kN : qd = 0,8468 . qc (R² = 0,9642) a pu être établie. 4.3. Etude du limon traité à la chaux Le limon provenant de la partie superficielle de la carrière Tellier-des-Prés (communes de Soignies et d'Ecaussines) peut être identifié comme un sol fin (I – limon) selon la classification belge et comme un sol A1 (limon peu plastique) à A2 (limon argileux) selon la classification française GTR. Sur base de l'analyse granulométrique, il s'agit d'un limon contenant 21 % d'argile. L'essai Proctor réalisé sur le limon pur donne une valeur de masse volumique sèche de 1,83 gr/cm³ à l'optimum Proctor pour une teneur en eau optimale située à 15,3 %. Le limon humide a été mélangé avec 2 % de chaux de type Proviacal ® ST de type CL90-Q. L'essai Proctor réalisé sur le mélange traité donne une valeur de masse volumique sèche de 1,62 gr/cm³ à l'optimum Proctor pour une teneur en eau optimale située à 19,4 %. Lors de la réalisation de la planche d'essais, la teneur en eau du mélange traité mis en œuvre varie entre 20 et 27 % à la surface des couches avec la présence d'une certaine hétérogénéité, soit un état hydrique humide selon la classification française. Les mesures de densité permettent de tirer les conclusions suivantes : La densité déterminée au moyen de l'anneau volumétrique montre que le taux de compactage maximal augmente avec le nombre de passes, de 87, 0 % à 94,3 %. Les valeurs moyennes ne satisfont pas aux différents critères du QUALIROUTES. 8 La densité mesurée au gammadensimètre dans la tranche superficielle augmente progressivement avec le nombre de passes sans connaître un maximum, passant de 90,8 % à 98,4 %. Les valeurs moyennes mesurées satisfont au critère de la couche de remblai à partir de 6 passes et au critère du fond de coffre à partir de 10 passes. La densité déterminée au gammadensimètre sur la tranche profonde montre une augmentation progressive avec un sommet à 8 passes. Le taux de compactage passe de 87,3 % à 91,1 % de l'OPN. Les valeurs moyennes ne satisfont pas aux différents critères du QUALIROUTES. L'évolution de la densité en fonction de la profondeur montre une évolution de la densité caractérisée par une partie superficielle très compacte et suivie par une chute très importante de la densité dans le bas de la couche. Cela pourrait être expliqué par l'emploi d'un compacteur trop faible. Les mesures de portance montrent les résultats suivants : Le coefficient de compressibilité M1 est généralement très élevé et augmente progressivement avec le nombre de passes sans connaître un maximum. Les valeurs passent de 31 à 58 MPa. Les valeurs satisfont aux critères du QUALIROUTES. Le rapport m est généralement peu élevé et compris entre 2,1 et 2,5. Il tend à diminuer avec le nombre de passes. Le module de déformation dynamique allemand (Evd) est également très élevé et augmente progressivement avec le nombre de passes sans connaître un maximum. Il passe de 40 à 78 MPa. Il n'existe pas de critère pour ce type d'essai dans le QUALIROUTES mais les valeurs sont supérieures au critère généralement utilisé en Allemagne pour un fond de coffre. Les mesures de résistance à l'enfoncement d'un cône montrent les résultats suivants : La résistance dynamique mesurée avec l'appareil PANDA est généralement du même ordre de grandeur que les courbes de référence SOL SOLUTION pour différents matériaux (A1, A2 et B5) et différentes teneurs en eau (h et th). Les graphes PANDA obtenus se caractérisent par contre, par l'absence d'une zone de transition. La résistance maximale est obtenue dès la première couche. Les courbes distinguent clairement les différentes couches mises en œuvre. Il ne semble pas exister de différences notoires entre les 2 diamètres de pointes. Les essais PANDA n'ont pas permis d'établir précisément des droites de référence respectant les 2 critères de taux de compactage figurant dans le QUALIROUTES. Ces droites doivent être confirmées par des essais complémentaires. Les valeurs de résistance à l'enfoncement dynamique évoluent avec le temps. Les valeurs moyennes d'enfoncement déterminées au moyen de la sonde de battage légère type CRR satisfont généralement aux critères requis pour un sol I.3 (limons et argiles) par le QUALIROUTES. 9 Les résultats des différents essais à la sonde de battage légère type CRR ont permis d'établir des courbes de référence respectant les 2 critères de taux de compactage figurant dans le QUALIROUTES mais ces valeurs doivent être confirmées par des essais complémentaires: Xcouche de remblai = 15 mm/coup Xfond de coffre = 12,5 mm/coup Les graphes obtenus avec les essais de pénétration statique 200 kN montrent la présence d'une zone de transition dont l'épaisseur est généralement comprise entre 0,4 et 0,6 m. 5. Conclusions Une planche d'essais réalisée dans le cadre de la convention Panda a permis de caractériser 3 types de terrain différents, à savoir un sable naturel, un sable artificiel de concassage et un limon traité à la chaux au moyen d'un grand nombre de méthodes de contrôle de compactage. Parmi celles-ci, il convient de citer les méthodes de contrôle du taux de compactage par mesure de la densité (anneau volumétrique, gammadensimètre), les méthodes de contrôle de la portance par les essais à la plaque (plaque statique belge et plaque dynamique allemande), les méthodes de mesure de la résistance à l'enfoncement dynamique d'un cône (sonde de battage légère type CRR et pénétromètre dynamique de type PANDA). Les principaux résultats sont les suivants : Le sable naturel de Mont-Saint-Guibert : Les critères du QUALIROUTES concernant la couche de remblai sont généralement remplis à l'exception de la tranche superficielle (problème de compactage en surface). Les critères concernant le fond de coffre ne sont généralement pas remplis à l'exception du critère de la sonde de battage légère type CRR. De nouvelles courbes de référence ont pu être établies tant pour le pénétromètre PANDA que pour la sonde de battage légère type CRR. Le sable de concassage de Marche-les-Dames : Les critères concernant la couche de remblai sont généralement remplis à l'exception des taux de compactage obtenus selon les 2 méthodes de densité testées. Les critères concernant le fond de coffre ne sont généralement pas remplis à l'exception de ceux résultant des essais aux pénétromètres dynamiques (sonde de battage CRR et appareil PANDA). Les valeurs de résistance à l'enfoncement mesurées avec l'appareil PANDA répondent aux nouvelles courbes de référence établies par le CRR. Le limon traité à la chaux : Les critères concernant les couches de remblai sont généralement remplis à l'exception de la mesure du compactage en profondeur (problème notamment dû à l'utilisation d'un compacteur inadapté). 10 Les critères concernant le fond de coffre ne sont généralement pas remplis à l'exception du critère de l'essai à la plaque statique belge. Il n'a pas été possible de déterminer précisément des courbes de référence pour le limon traité à la chaux en raison notamment de problème de déficit de compactage en profondeur des matériaux. La planche d'essais a également permis d'établir en première approche, des critères de référence pour une application du pénétromètre dynamique de type PANDA dans le contrôle du compactage des sols grossiers de la classification belge ainsi que de nouveaux critères pour l'essai à la sonde de battage légère type CRR. Il convient de signaler que ces critères sont à confirmer par des essais complémentaires avant de pouvoir être introduits dans une prochaine version du QUALIROUTES. * * 11 *