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Le compactage
Introduction sur le Compactage
Le géotechnicien s'intéresse aux sol dans
la mesure où ceux-ci constituent l'élément principal du contexte dans lequel la stabilité d'un ouvrage sera conçue.
On a donc rapidement envisagé
d'améliorer les caractéristiques
mécaniques des sols d'assise pour augmenter leur capacité portante (ou portance). Un grand nombre
de procédés existent; d'une part, les adjonctions de liants (bitume, ciment,
chaux, laitier), relativement chers, et d'autre part, les procédés de compactage mécaniques. C'est ce dernier groupe de
procédés, principalement mis en œuvre sur les chantiers routiers, que ce
chapitre va exposer.
Le compactage des
sols est une technique utilisée en génie civil visant à améliorer la qualité
des sols pour la construction. Il ne faut pas la confondre avec la compaction
des sols qui elle, est d'origine naturelle.
Définition du compactage.
Compacter un sol consiste à faire diminuer
son volume par l'application d'un
procédé mécanique (force, vibration, combinaison des deux, chocs,…). Cette
diminution de volume ne se produit que par l'élimination des
vides remplis d'air
qui existent dans le sol à son
état initial. La teneur en eau du sol
n'est donc pas modifiée (il s'agirait dans ce cas d'une consolidation, phénomène
qui sera étudié ultérieurement dans ce cours). Le poids volumique du sol, gh, par contre,
sera augmenté, et avec lui,
gd puisque:
Le poids volumique sec gd sera
le paramètre dont on va étudier les
variations dues au compactage. Cette
grandeur garde sa signification même
si le sol considéré n'est pas
sec! Tout sol (humide ou non) est
caractérisé par un
poids volumique naturel gh et par une teneur en eau w, donc, par un
poids volumique sec gd, calculé au moyen de la formule ci-dessus. Il suffit
de considérer qu'il s'agit du poids volumique qui
caractériserait le sol s'il était sec.
Facteurs influant sur compactage
Influence de la teneur en eau sur le compactage
L'influence de la teneur en eau sur
le résultat d'un compactage a été étudié dès 1933 par l'ingénieur
américain Proctor, qui a mis au point
l'essai de compactage qui porte son nom.
Si un sol est compacté par une
série de chocs que lui imprime les chutes d'une masse, la déformation du
sol, c'est-à-dire la diminution de son volume, absorbe une énergie égale à l'énergie m
tombant d'une hauteur
h) multipliée par le
nombre de coups donnés. Cette énergie
s'appelle énergie de compactage.
Si l'on porte en graphique les gd obtenus suite au compactage d'un
échantillon de sol, en réalisant une série d'essais de compactage, chacun correspondant à une teneur en
eau différente (maîtrisée par adjonction d'eau) mais toujours avec une énergie de compactage identique,
on obtient une courbe comme celle-ci:
La courbe a l'allure d'une cloche, elle
passe par un gd maximum que l'on appelle optimum proctor. Cet optimum
correspond à une teneur en eau optimale.
NB:
Nous attirons l'attention du lecteur sur le fait que le
terme optimum proctor désigne le gd optimal
que l'on peut
faire atteindre à un sol donné pour une énergie de compactage donnée. Ce terme ne désigne pas la teneur en
eau à la quelle l'optimum correspond.La confusion est fréquente.
Cette allure
s'explique par le rôle lubrifiant de l'eau dans le processus de compactage. Un sol 'trop sec' sera le siège de frottements
importants entre les grains de sol.Un
sol trop humide,par contre sera moins susceptible
d'être compacté car
une partie importante de l'énergie de compactage sera absorbée par
l'eau (incompressible) et
ne sera donc pas communiquée aux
grains de sol.
Influence de la nature du sol
Un
sol dont le compactage sera fortement influencé par la teneur en eau présentera une courbe de compactage avec un maximum très marqué. A l'inverse, un sol dont la teneur en eau
influence peu le compactage sera
caractérisé par une courbe de compactage très plate. Les sols de ce type font
généralement les meilleurs remblais.
La figure suivante donne quelques exemples
des allures que peuvent présenter les courbes de compactage des
sols courants (Clay
= argile,
Influence de l'énergie de compactage.
L'extrémité droite de la courbe de compactage,
c'est à dire l'extrémité du versant sec (ou branche sèche) correspond à
l'état de saturation du sol. La courbe est donc limitée à l'abscisse w=w sat
- On conçoit aisément que si l'énergie de compactage augmente, le vides 'secs' (remplis d'air et non d'eau' seront d'avantage réduits. Ceci implique deux choses:
- Le g d obtenu par la compaction sera plus élevé. La courbe de compaction se déplacera donc vers le haut.
- La saturation sera atteinte à une teneur en eau moindre : w sat diminue. La courbe de compaction se déplacera donc vers la gauche.
- Si l'on superpose les graphes de plusieurs essais effectués sur un même sol, avec des énergies de compaction croissantes (nombre de coups et/ou hauteur de chute croissante), on obtient une figure similaire à la suivante :
Outils de compactage
Les engins de compactage
Extraire un sol revient à le dé-cohésionner ,à l'aérer ,à le `'foisonner'' ,c'est à dire lui
donner un volume plus important que ce même sol en place.Le foisonnement
est loin d’être négligeable et peut se traduire par des
augmentation de volume de l'ordre de 30 à 40 %.
Le compactage a pour objectif de ramener le teneur en vides du
sol à un niveau voisin de la teneur en vides qu'il avait avant
extraction ,sachant que cet objectif sera impossible à atteindre dans
certains cas comme les matériaux rocheux extraits à
l’explosif ou à la défonceuse.
La qualité du compactage est primordiale pour
éviter les tassements ultérieurs, et pour améliorer la portance
du sol (voir chapitre 8 Géotechnique routière .Essais PROCTOR et
CBR).
Des expérimentations engagées, il y a plus de 20 ans
au centre d'Expérimentation Routière de Rouen ont permis de
connaitre l'efficacité des engins de compactage sur différents
types de matériaux.
Cette efficacité est appréciée par la mesure
de la masse volumique sèche moyenne Y dm sur l'ensemble de la couche
compacté et en fond de couche,ou les valeurs sont toujours plus
faibles(ces mesures sont réalisée à l'aide d'une double
sonde à rayonnement gamma).
Les objectifs de densification sont désignés
symboliquement pat:
q3: objectif requis pour les couches de forme (ydm >98 %de
ydopm)
q4: objectif requis pour les couches de remblais (ydm
>95 %de ydopm)
(Les objectifs q1 et q2 concernant les couches de base et de
fondation des chaussées).
Les engins de compactage les plus couramment utilisés
sur les chantier de terrassement sont :
- Les compacteurs à pneus (Pi);
- Les compacteurs vibrants à cylindres lisses (Vi);
- Les compacteurs vibrants à pieds dameurs (VPi);
- Les compacteurs statiques à pieds dameurs (SPi);
- Les plaques vibrantes (PQi);
Ils sont classés de la maniére suivante dans le
fascicule I du G.T.R .:
Les compacteurs à pneus (Pi)
Le classement est basé sur la charge par roue CR
Fig 10 Compacteur à pneus automoteur
(que l'on obtient facilement en divisant la charge totale de
l'engin correctement lesté par le nombre de roues) 
P1=CR entre 25 et 40 KN,
P2=CR entre 40 et 60 KN,
P3=CR supérieure à 60 KN,
La charge par roue conditionne l'efficacité en profondeur
tandis que la pression de gonflage des pneus conditionne l'efficacité
superficielle.
Les Compacteurs vibrants a cylindre lisse
Le phénomène de vibration de l'engin est
généré par la rotation d'un balourd à l’intérieur
du(ou des) cylindre(s).En agissant sur la vitesse de rotation ,on agit sur la
fréquence de vibration,et en jouant sur la masse du balourd et/ou son
excentricité on peut modifier l'amplitude de la vibration.
Le classement est effectué à partir de
paramètre (M1/L) et d'une valeur minimale pour AoM1/L(exprimé en
Kg/cm)est la masse par unité de largeur s'appliquant sur la
génératrice d'un cylindre .
Ao (en mm) est l'amplitude théorique à vide
fonction du rapport entre le moment des excentriques de l'arbre à
balourd et la masse de la partie vibrante sollicitée par l'arbre
à balourd.
On distingue cinq classes :
V1:(M1/LAo) compris entre 1 et 25 et Ao >0.6 ou
supérieur à
25et 0.6 <ao<0.8
V2:(M1/LAo) compris entre 25 et 40 et Ao >0.6 ou
supérieur à
40et 0.8 <ao<1.0
|
25et 0.6 <ao<0.8
V2:(M1/LAo) compris entre 25 et 40 et Ao >0.6 ou
supérieur à
40et 0.8 <ao<1.0
|
V3:(M1/LAo) compris entre 40 et 55 et Ao >1.0 ou
supérieur à
55et 1.0 <ao<1.3
|
V4:(M1/LAo) compris entre 55 et 70 et Ao >1.3 ou
supérieur à
70et 1.3 <ao<1.6
|
V5:(M1/LAo) supérieure à 70 et <ao
>1.6
|
De part leur polyvalence et leur efficacité, ce sont
aujourd'hui compacteurs les plus répandus sur les chantiers.
On distingue :
Les monocylindres :
On pourra parfois leur reprocher que la partie du poids de
l'engin qui repose sur les pneus n'est pas utiliée pour lecompactage.
Il présente toutefois une meilleurs capacité de
translation qu'un tandem
(Pneus sculptés contre jante lisse)
Fig 11 Rouleau vibrant automobile
monocylindre
Fig compacteur vibrant à cylindre lisse de type tandem
longitudinal
-Les tandems :
La totalité de la masse de l'engin est utilisée
pour le compactage.
On distingue les tandems longitudinaux (possédant un
cylindre avant et un cylindre arrière), et les tandems transversaux (les
2 cylindres sont fixés sur un seul essieu).
-Les compacteurs mixtes :
Il s'agit d'un compacteur hybride dont l'un des essieux est
équipé comme un compacteur à pneu s, l'autre essieu entraîne un
cylindre vibrant lisse.
Les compacteurs à pieds dameurs :
Ce type d'engin a pour ancêtre le rouleau à pieds de
mouton qui avait été conçu au début de la
mécanisation des terrassements et qui s’efforçait de reproduire lecompactage réalisé par les troupeaux d'ovins sur les terrains
d'aviation recouverts de gazon.
Le cylindre à pieds dameurs comporte à la surface
un grand nombre se segments en acier de forme tronconique dont le profil est
étudié pour cisailler le sol par pénétration et
pour que ces segments puissent se dégager en remontant sans arracher le
sol.Il est très important que le sol à compacter ne colmate pas
les segments, faute de quoi, le rouleau serait transformé en cylindre
lisse.
Ces engins sont biens adaptés sur le sol fins plastiques
(surtout pas sur les sables propres) et donnent de bons résultats avec
une vitesse de travail de l'ordre de 10 à 12 km/h.
Précision que ces engins qui possèdent une
puissance très élevée sont souvent équipés
d'une lame de bouteur.
On distingue deux types de compacteurs à pieds dameurs:
-Les compacteurs vibrant à pieds dameurs classés
selon les mêmes critères que les compacteurs vibrant à
cylindres lisses.On retrouve les 5 classes VP1. VP2. VP3. VP4.et VP5.
-Les compacteurs statiques à pieds dameurs avec deux
classes selon la charge statique moyenne par unité de longueur du
cylindre:
SP1:30<M1/L<60 kg/cm
SP2:60<M1/L<90 kg/cm
Les plaques vibrantes :
Elles sont classées à partir de la pression
statique sous la semelle Mg/s exprimée en KPa.
On distingue quatre classes; seuls nous intéressant en
matière de terrassement les plus efficaces:
PQ3:10<Mg/s<15 Kpa
PQ4: Mg/s>15 Kpa.
Engin divers
Cette brève description des engins de terrassement ne
serait pas complète si l'on omettait d'énumérer rapidement
les engins dits''de servitude'' mais dont le rôle est souvent primordial:
L'arroseuse dont la capacité en eau doit être en
rapport avec les cadences du chantier.Par exemple 10 000 m3 par jour sur un
chantier nécessitent 200 m3 d'eau (compte tenu de l'évaporation)
pour augmenter le teneur en eau de 1 % c'est à dire 10 voyages pour une
citerne de 20 m3.
-Les camions tous terrains pour ravitaillement en carburant, en
huile et pour les dépannages ;il n'est pas toujours facile ni rentable
de déplacer les engins d'un bout du chantier à l'autre pour les
opérations d'entretien.
-Les pompes permettent l’épuisement des venues d'eau, le
drainage, les rabattements de nappes .
-les matériels divers tels que compresseur, groupes
électrogènes, perforatrices.