Modélisation physique et numérique de la mise en place des colonnes ballastées dans un sable fin

Abstract

L’amélioration des sols par la technique de vibrosubstitution est habituellement utilisée pour les sols cohésifs, mais peut toutefois être utilisée dans les sols pulvérulents avec potentiel de liquéfaction. Cette technique permet la création d’un réseau de colonnes ballastées (CB) qui réduit le tassement et augmente la capacité portante d’un sol. L'intérêt est certes bien affiché. En effet, Geopac Inc. (entreprise spécialisée) se propose d'évaluer sa méthode d'amélioration des sols par CB en vue de réduire (voire éliminer) le potentiel de liquéfaction des sols grenus. Geopac a fait recours à une collaboration avec l'UdeS pour analyser expérimentalement et numériquement l'influence de la mise en place des CB sur les propriétés d'un sol pulvérulent. Un programme expérimental a été élaboré dans le but d’étudier l’effet de la mise en place des CB sur le sol encaissant par cette technique. À cet effet, un modèle réduit unique a été conçu, instrumenté et calibré à l’UdeS pour permettre dans un premier temps, de simuler l’incorporation de pierre nette (ballast) dans un sol lâche non saturé tout en maintenant une contrainte verticale et en mesurant la contrainte latérale générée durant l’incorporation. Le modèle réduit permet l’étude de l’expansion de cavité telle qu’obtenue durant la construction des CB par vibrosubstitution. Les colonnes sont construites à l’intérieur d’une cellule de PVC de 600 mm de haut et de 382 mm de diamètre. Un total de trois colonnes ballastées ont été construites sous une contrainte de 60, 80 et 100 kPa respectivement représentant un taux d’incorporation de près de 4 %. L’incorporation démontre une augmentation de la pression latérale caractérisée par le coefficient de pression latérale K jusqu’à 1.37 et une augmentation de la densité de 44 % à 55 % en moyenne. Une modélisation numérique a ensuite permis de confirmer les résultats expérimentaux et de vérifier le comportement du montage expérimental. La modélisation numérique a été réalisée avec le logiciel PLAXIS 2D 2012 en axisymétrie de révolution et considérant une loi comportementale de type Hardening Soil Model pour le sol encaissant et de type Mohr-Coulomb pour la colonne de pierre. La modélisation numérique a permis de déterminer que la forme de la contrainte verticale sur le sol est parabolique, c’est-à-dire maximale au centre et nulle à l’interface sol-paroi. L’expansion du sol a été simulée par l’imposition d’une déformation volumique anisotropique en cinq couches dans le sens radial et circonférentiel équivalent aux dimensions de la colonne obtenue expérimentalement. Les résultats numériques ont démontré une erreur de < 1 % pour la CB #1, de pour la CB #2 et de < 30 % pour la CB #3. L’erreur rencontrée sur la dernière colonne effectuée sous une contrainte verticale de 60 kPa peut-être associés à une mesure erronée lors de l'expérimentation. L’obtention des résultats expérimentaux par modélisation numérique a confirmé la fonctionnalité du montage expérimental et de la procédure de construction des CB en laboratoire. Cela ouvre la porte à des études subséquentes de l’effet de la mise en place des CB sur le sol encaissant en incorporant la vibration et la saturation du sable reproduisant la technique de vibrosubstitution.