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Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
DESORDRES DE L'AUTOROUTE A20 CHATEAUROUX - ANALYSE ET RETOUR D'EXPERIENCE POUR LES TERRASSEMENTS
DISORDERS OF HIGHWAY A20 CHÂTEAUROUX - ANALYSIS AND FEEDBACK FOR EARTHWORKS
Yasmina BOUSSAFIR1, David MATHON2
1°Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Risques, Marne la Vallée, France 2 Cerema, Direction Territoriale Normandie-Centre, Blois, France
RÉSUMÉ — Le contournement de Châteauroux dans le département de l’Indre (36)
traverse des formations d’âge Tertiaire et Secondaire. Le tracé de l’autoroute A20 a
fait l’objet d’études de reconnaissance classiques et les travaux ont permis d’ouvrir la
chaussée dans des conditions satisfaisantes. Néanmoins, moins de 10 ans après
cette ouverture, sont apparues les premières déformations dans les sections en
déblais, se manifestant sous la forme d’ondulation de grandes amplitudes. Ces
déformations se sont petit à petit amplifiées jusqu’à obliger à restreindre la limitation
de vitesse pour les poids lourds de 110 à 90 km/h. Une expertise menée dans le
cadre de la programmation d’investissement de la maîtrise d’ouvrage a permis de
mettre en évidence la présence d’argiles surconsolidées qui après décaissement des
déblais et suite à l’augmentation des teneurs en eau par infiltration au niveau des
bords de chaussées ont pu exprimer leur potentiel de gonflement. Les
enseignements tirés de cette expertise permettent aujourd’hui de recommander
d’étudier dans les sections de déblais de hauteur supérieure à 5 mètres, les
pressions de gonflement des argiles lorsqu’elles constituent la future Partie
Supérieure des Terrassements, chose qui n’est pas pratiquée aujourd’hui dans les
études traditionnelles.
ABSTRACT — Bypassing Châteauroux in the department of Indre (36) through age
Tertiary and Secondary formations, the highway A20 has been studied with classical
geotechnical programs. Less than 10 years after opening the road, the first
deformations appeared in cut sections, manifested with large-amplitude ripples.
These deformations gradually amplified, forcing to restrict the speed limit for trucks
from 110 to 90 km / h. Expertise highlighted the presence of overconsolidated clays
in base of cuts, causing disorders by swelling under increasing of moisture especially
in the edges of road. The feedback learned from this expertise is to recommend to
study in sections cuttings (whatever the height), the swelling pressure of clays
constituting the future platform of earthworks. This kind of analysis is never practiced
in traditional studies in France.
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1. Introduction
Les études de tracés routiers suivent des méthodologies bien éprouvées dans le
domaine des terrassements permettant de définir le réemploi des matériaux et
dimensionner les plateformes. Ces méthodologies permettent de cerner de manière
progressive les difficultés qu'il faudra résoudre, en définissant les moyens de
reconnaissance et les essais appropriés à chaque stade de la reconnaissance.
Le tracé de l'autoroute A20 qui permet de contourner Châteauroux par l'Ouest a fait
l'objet d'études de reconnaissances, s'inscrivant dans cette logique de progressivité
dans la connaissance des sols et de leurs difficultés. Plusieurs bureaux d'études ont
contribué à ces études (réf.).
Les travaux de construction de l'autoroute ont ensuite été menés dans les années
1995 avec un contrôle des travaux assuré par le LRPC de Blois. Quelques anomalies
ont été traitées à l'époque en relation avec des problèmes de gonflement sur les
matériaux traités aux liants hydrauliques ou à la chaux vive. Ces anomalies avaient
été résolues grâce au choix d'un liant spécifique inhibant le gonflement. L'ensemble
des travaux a été réceptionné sans réserve.
De manière surprenante, quatre à cinq ans seulement après l'ouverture de la
chaussée, les premiers désordres se sont manifestés sur cette section de l'autoroute
A20 sous la forme d'ondulation de la voie, essentiellement dans les sections en
déblais (Figure 1, Figure 2). Ces ondulations d'abord modérées, se sont amplifiées
en l'espace de trois ans au point de devoir réduire la vitesse des poids lourds d'abord
à 110 km/h puis à 90 km/h. Dans le même temps, de nombreux talus en déblais se
sont effondrés (Figure 3).
Figure 1 : ondulation à la surface de la chaussée (bretelle d'accès à l'A20)
Figure 2 : ondulations sur la section courante de l'A20 et réalisation d'une tranchée
Figure 3 : glissement de talus
Même en remblai des désordres notables sont apparus avec des tassements au
niveau des remblais techniques d'ouvrages d'art et des ruptures de talus de remblai.
Le LRPC de Blois est alors intervenu à la demande de la DIR Centre Ouest pour
entamer des diagnostics poussés. Les résultats qui suivent concernent uniquement
l'analyse des ondulations sur les sections courantes en déblai car ce sujet est en
total décalage par rapport à des analyses de pathologies classiques, et était surtout
porteur de nombreux fantasmes tournant autour du traitement des sols d'arase et
des gonflements associés.
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2. Description des désordres et éléments d'informations préalables à l'étude
Les désordres se sont essentiellement manifestés dans des sections de l'Autoroute
A20 en déblais globalement entre les PR 64 et 72. Les principales sections de
déblais concernées sont localisées sur la Figure 4. Les photographies des Figure 1,
Figure 2 et Figure 3 illustrent bien ces phénomènes.
Au démarrage de l'expertise, une enquête interne au laboratoire portant sur les
sections présentant des désordres du même genre a pointé deux cas possiblement
similaires : les déformations du tunnel ferroviaire des Alouettes au Nord de Vierzon,
et les désordres de l'échangeur au Nord de Vierzon entre l'A71 et l'A20. Il n'a pas été
possible d'obtenir d'informations sur les analyses de ces désordres. Bien que
similaire, la connaissance de ces cas n'avait pas été approfondie car la géologie de
ce secteur est radicalement différente de celle de Châteauroux.
Les désordres ont fait l'objet d'auscultations entre 2001 et 2009. Une première étude
réalisée en 2001 entre les PR 64 et 72 a montré que les matériaux de la couche de
forme étaient légèrement humides et les conclusions préconisaient l'inspection des
réseaux de drainage ou la mise en œuvre de tranchées drainantes.
Dans un deuxième temps des relevés à l'APL (Analyseur de Profil en Long) ont
permis de caractériser en 2004 puis en 2006 les déformations de l'uni. Le rapport a
mis en évidence qu'il s'agissait essentiellement d'ondulations de grandes longueurs
d'ondes (très peu en petites longueurs d'onde) et que les amplitudes se sont
accentuées entre 2004 et 2006.
Des mesures de déflexion (2006) ont mis en évidence des zones faibles avec des
déflexions supérieures à 30/100è de mm aux alentours des PR 62, 70 et 71.
Les sections à désordres coïncidaient également avec les nombreuses zones de
ruptures de talus en déblai mais aucun élément précis ne permettait de faire le lien
entre ces pathologies, bien que localisés au niveau des mêmes sections.
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Figure 4 : localisation des sections concernées par les désordres et les investigations
de terrain
Figure 5 : extrait de la carte géologique du BRGM au 1/50 000
Finalement, une expertise poussée basée sur la réalisation de tranchées et de
sondages carottés a été préconisée afin de mieux connaître l'origine des
déformations.
D'un point de vue géologique (BRGM), les formations traversées sont de l'Oxfordien
supérieur et de l'Eocène supérieur (Figure 5). Le substratum calcaire jurassique a fait
l'objet d'une érosion importante au moment de l'émersion des terres à l'Eocène
conférant à la surface des bancs érodés une topographie fortement perturbée avec
subsistance de pointements calcaires. À la fin de cette période d'érosion, une
sédimentation terrestre reprend à l'Eocène avec le charriage de sédiments fluviatiles
en provenance du Massif Central. Les dépôts sont de type détritiques mais se
caractérisent au niveau de Châteauroux par des sédiments très fins, argilo-
quartzeux.
3. Investigations réalisées et principaux résultats
3.1. Les moyens de reconnaissances in situ
Compte-tenu de l'ampleur des désordres, 4 tranchées à la pelle mécanique ont été
réalisées, accompagnées chacune par deux sondages carottés. L'objectif des
tranchées était d'observer en vraie grandeur et dans les trois dimensions les
désordres pour les mettre éventuellement en relation avec la structure de la
chaussée ou du sol à une échelle plus grande que l'échantillon carotté. Les
prélèvements ont été faits en quantité suffisante pour réaliser des essais de
terrassement traditionnels (identifications, indice portant immédiat…). Les sondages
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carottés permettaient de prélever des échantillons intacts pour réaliser des essais de
mécanique des sols.
Chaque tranchée a été creusée sur une largeur d'environ 1,50 mètres et une
longueur d'environ 7,00 mètres. Elles ont fait l'objet d'un découpage à la scie puis
d'une extraction au brise-roche hydraulique et à la pelle mécanique sur une
profondeur de l'ordre de 2,00 mètres. Les carottages ont été réalisés par les équipes
du LRPC de Blois jusqu'à 5,00 mètres de profondeur.
3.2. les résultats des observations visuelles
Les tranchées ont permis de mettre en évidence la structure de chaussée en place et
permis également de constater son très bon état structurel. Les tranchées ont été
réalisées en ôtant chaque couche l'une après l'autre ce qui permettait d'observer les
surfaces de chacune des parties de la chaussées.
La coupe type de la structure de l'autoroute était la suivante :
- 6 cm de couche de roulement
- 20 cm de couche de base en grave-bitume
- 25 cm de couche de fondation en grave-laitier
- 35 cm de couche de forme en grave-non traitée composée d'une couche de réglage
0/31,5 mm et d'une grave non traitée de type 0/80mm
- Partie Supérieure des Terrassements en matériaux du site : argiles, calcaires
Sur la Figure 6 on observe la qualité de la surface de la grave-laitier. Les ondulations
de grandes amplitudes ont entraînées des déformations sans casser ni endommager
les couches d'assises composées de grave-laitier. Deux fissures ont été relevées sur
le linéaire : la première traversait la grave bitume en s'arrêtant sur la couche de
fondation et la deuxième de forme circulaire traversait les deux couches d'assise.
Figure 6 : tranchée n°1 sens Paris-Province - mise à jour de la surface de la grave-
laitier en couche de fondation.
Figure 7 : tranchée n°3 sens Province-Paris - mise à jour de la partie supérieure des
terrassements (sol support) en argile.
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Figure 8 : Tranchée n°4 sens Province-Paris - vue de la structure et des sols
supports (partie supérieure des terrassements) composés d'argile
Figure 9 : Tranchée n°2 sens Province-Paris - vue de la structure et des sols
supports composés de calcaire et d'argile
Visuellement, aucune trace de produits de traitement, aucune odeur suspecte, et pas
de trace de produits gonflants (de type ettringite) n'a été constatée. Par contre, on a
pu reconnaître des tranches de sol ayant visiblement fait l'objet d'un traitement de sol
au niveau de la tranchée n°1 (et du SC2) sur environ 20 cm d'épaisseur.
3.3. Résultats des essais de laboratoire
Les matériaux constituant la PST ont fait l'objet de plusieurs analyses. Il en ressort
que les argiles qui forment majoritairement le substratum des fonds de déblai, sont
composées de quartz, de montmorillonite (35 à 50 %), de kaolinite, d'illite/muscovite
et de fer. Les montmorillonites sont des argiles réputées pour leur potentiel de
gonflement.
D'un point de vue géotechnique, elles ont été classées A2, A3 et A4, avec les
résultats principaux d'identification figurant au Tableau 1. Leurs états hydriques sont
globalement considérés comme moyen ("m") ou sec ("s") au sens de la NF P11-300.
Les résultats indiqués dans ce tableau concernent les échantillons provenant des
sondages à la pelle (SP) et des sondages carottés (SC), en précisant : le passant au
tamis à 80 µm (%80µm) ; l'indice de plasticité (IP) obtenu à partir de la limite de
plasticité (Wp en %) selon NF P94-051 et la limite de liquidité selon NF P94-052-1 ;
l'indice de consistance (Ic) évalué à partir de l'IP et de la teneur en eau naturelle ; et
l'indice portant immédiat (IPI) réalisé selon NF P94-078.
Tableau 1 : principaux résultats d'identification des sols supports
SP1 (0,95m)
SC1 (1,50m)
SP1 (1,80)
SP2 SP3 (0,60m)
SP3 (1,00m)
SP4 (1,00m)
%80µm 65,3%, 98,1%, 59,0%, 83,8% 79,1% 99,2% 98,2% IP 23 42 22 35 22 27 37 Wp 36 38 34 34 35 44 39 Ic 1,26 - 1,47 0,92 1,24 1,24 1,03 IPI - - 17 4 16 10 9
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Couches d’assise
Couche de forme
Partie supérieure des
terrassements
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Couche de fondation en grave-laitier
Couche de base en grave-bitume
Couche de forme
Partie supérieure des
terrassements
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Des essais de mécanique des sols ont été menés afin d'évaluer le potentiel de
gonflement des argiles par la mesure de la pression de gonflement g et du rapport
de gonflement Rg (XP P94-091) (Figure 10), mesures complétées par des essais de
compressibilité à l'œdomètre classiques (XP P94-090-1) réalisés sur les échantillons
carottés (SC). Les caractéristiques des argiles sont résumées dans le Tableau 2., en
indiquant respectivement pour chaque échantillon : d, le poids volumique sec de
l'échantillon (en kN/m3) ; W, la teneur en eau (en %) ; e0 l'indice des vide
correspondant au poids des terres en place (sans unité) ; Cc l'indice de compression
et Cs l'indice de gonflement ; 'p la contrainte effective de préconsolidation (kPa) ; g
la pression de gonflement (kPa) ; et Rg le facteur de gonflement (%).
Tableau 2 : principaux résultats de caractérisation intrinsèque des sols supports.
SC1 (1,10-1,30m)
SC3 (1,00-1,50m)
SC6 (1,00-1,50m)
SC7 (1,50m)
SC8 (1,10m)
SC8 (1,70m)
d (kN/m3) 13,73 16,76 13,15 13,39 12,87 12,89
W 37,0% 22,0% 39,0% 35,7% 39,0% 40,0% e0 0,931 0,580 1,015 - 1,058 1,056 Cc 0,25 0,13 0,26 - 0,17 0,16 Cs 0,06 0,03 0,06 - 0,06 0,07
'p (kPa) 200 200 530 - 400 300
g (kPa) 140 560 565 610 460 482
Rg (%) 6,845 1,250 1,224 5,000 2,12 1,154
4. Interprétation des résultats
L'ensemble des investigations menées a permis d'analyser précisément l'origine des
désordres affectant l'autoroute A20 dans le secteur de Châteauroux.
Les tranchées à la pelle mécanique ont clairement mis en évidence l'absence de
pathologie au niveau de la structure de chaussée et a confirmé son bon état
structurel. L'observation visuelle des matériaux en trois dimension a permis de
constater que les matériaux de la partie supérieure des terrassements étaient
globalement très plastiques, et hétérogènes qualitativement. Aucune arrivée ni trace
d'eau n'a été décelée et les états hydriques (confirmés par les essais) étaient
évalués comme globalement moyens voire secs. Visuellement, aucune inflorescence
suspecte n'a été observée, et aucun gonflement ponctuel n'a pu être mis en
évidence. Ceci confirmé par des analyses minéralogiques a permis de mettre hors de
cause d'éventuels phénomènes de gonflement lié au traitement des sols.
Ce sont les résultats des essais de mécanique des sols qui ont permis de
comprendre l'origine probable des phénomènes. En effet, l'essai de gonflement qui a
permis de mettre en évidence le très fort potentiel de gonflement de ces argiles. Au
point le plus vulnérable, les pressions permettant d'annuler le gonflement sont de
l'ordre de 600 kPa (Figure 10). Ces valeurs sont néanmoins hétérogènes et
expliquent les désordres qui se manifestent aléatoirement par des ondulations de
grande amplitude.
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L'analyse des essais oedométriques a permis également d'évaluer la pression de
consolidation possible de ces matériaux (en faisant l'hypothèse qu'ils n'ont pas été
remaniés lors des terrassements). En effet les valeurs mesurées comprises entre
200 et 530 kPa ne peuvent pas être mise en rapport avec la hauteur des déblais
excavés, de l'ordre de 5 mètres. La seule explication possible à ces valeurs est que
les matériaux argileux en présence dans les fonds de déblais sont composés de
formations géologiques surconsolidées. La consultation de la carte géologique a
permis de confirmer ce point. Cependant, cette interprétation n'était pas évidente en
première lecture et guère prévisible au moment des études de reconnaissance du
tracé. Si l'hypothèse de la surconsolidation était retenue, cela signifierait que près de
20 mètres d'épaisseur de matériaux datant du Tertiaire ont été érodés au
Quaternaire. Une autre hypothèse pourrait être fondée sur une approche tectonique
et mettre en relation les fortes valeurs de gonflement avec d'éventuels épisodes de
compression des terrains à l'époque Quaternaire. Seule une étude géologique
approfondie permettrait de confirmer ces hypothèses.
Il n'en reste pas moins que cette pathologie est très instructive à la fois quand à
l'intérêt de l'approche du modèle géologique le plus précis possible en amont des
études de site, et à la fois en terme d'enseignements sur les aléas qui peuvent se
présenter sur les infrastructures, quelquefois difficiles à expliquer.
Les études géotechniques, réalisées de manière traditionnelle ont tendance dans le
cas de déblais de faible hauteur (ce qui est le cas pour des hauteurs inférieures à
5,00m) et surtout dans les formations Tertiaire du Bassin Parisien à négliger les
approches géologiques et à négliger notamment les risques d'évolutions ultérieures,
surtout lorsque aucune pathologie similaire n'est signalée aux alentours. Les
reconnaissances se limitent en général au dimensionnement du sol support vis-à-vis
de la future plateforme. Il est ainsi évident qu'aucun essai de type oedométrique ou
d'évaluation du potentiel de gonflement n'est réalisé en routine pour des études de
déblais. Ces essais sont en général réservés aux études de remblais ou d'ouvrages
sur sols surconsolidés.
g
Rg
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Figure 10 : exemple de courbe de gonflement mesurée à l'oedomètre selon la norme
XP P94-091. La pression de gonflement g est de 610 kPa et Rg le facteur de
gonflement de 5,0 %.
5. Conclusions et enseignements
Les déblais de la section de l'A20 à Châteauroux sont des déblais de faible hauteur
(5 mètres au point le plus haut) et pourtant des déformations de grandes amplitudes
ont déformé la chaussée au point de devoir faire baisser la vitesse de circulation à
90 km/h pour les poids lourds. Ces ondulations ont pu être expliquées grâce aux
investigations menées qui ont mis en évidence le très fort potentiel de gonflement
des argiles présentes au niveau de la Partie Supérieure des Terrassements par
libération des contraintes internes. Le gonflement des argiles a soulevé et déformé la
structure (sans la casser) essentiellement au niveau des bords de la chaussée (soit
des accotements, soit des terre-pleins centraux), endroits qui concentrent les
arrivées d'eau, élément moteur au déclenchement des pathologies de ce genre. Les
défauts ont pu être mis en relation avec un aléa géologique. Ces résultats ont permis
également de mettre complètement hors de cause les éventuels liants hydrauliques
utilisés au moment des travaux et battre ainsi en brèche l'idée très répandue d'un
gonflement secondaire lié au traitement de sol.
Les solutions pour revenir à un niveau d'usage conforme de la chaussée,
proposaient la reprise de la couche superficielle de la chaussées, de manière à
conserver les couches d'assises en travaillant uniquement sur le reprofilage de la
voie. Pour prévenir au maximum la poursuite du gonflement, car celui-ci semble
malheureusement inéluctable, des travaux de drainage ont accompagné les travaux
de gros œuvre.
Cette expertise a permis de faire un retour d'expérience précieux concernant les
formations géologiques de l'Eocène (Tertiaire du Bassin de Paris). Ces argiles sous
contrainte doivent dorénavant être considérées avec prudence pour tous travaux
d'infrastructure et notamment être appréhendée selon une approche très exhaustive.
Ainsi, il apparaît nécessaire de recommander la réalisation d'essai oedométrique et
d'essai de gonflement ceci afin d'identifier tout risque d'évolution par gonflement.
Ceci implique la réalisation de sondages carottés et des prélèvements intacts
d'échantillons, ayant une incidence non négligeable sur les coûts. Il convient de
préciser que le montant des travaux nécessaires à la réfection de la chaussée est
sans commune mesure avec le coût d'une étude géotechnique approfondie.
Remerciements
Les auteurs remercient le LCPC pour les analyses minéralogiques
Références bibliographiques
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des L.P.C. n°229. Nov-déc. 2000. pp.105-114.
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CEBTP (1991). Etude géotechnique d'Avant-Projet de l'A20. Contournement de Châteauroux. Dossier
5252-1-302 de mai 1991
LRPC Blois (1995-1996). Etude des fondations des ouvrages d'art n°12 à 20 de l'A20. Contournement
de Châteauroux. Dossier 3805.0 d'avril 1995 à février 1996.
LRPC Blois (2001). A20. Expertise des désordres entre les PR 64 et 72. Dossier 7990.0 de novembre
2001.
LRPC Blois (2004). A20. Contournement de Châteauroux. Affaissement des remblais techniques PI12,
13 et 16. Dossier 7136.0 de janvier 2004.
BRGM carte géologique notice géologique de Châteauroux
LCPC (1982). Reconnaissance géologique et géotechnique des tracés de routes et autoroutes. Guide
technique,
LCPC, Scétauroute (2001).Commande et Contrôle des reconnaissances géotechniques de tracés.
Guide technique, 148 pages.
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