Le compactage

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 compactage

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:
Le compactage
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,sand = sable, silty sand = sable  limoneux.).   On voit que les sables sont très peu sensibles à l'eau en ce qui concerne le compactage, tandis que s'ils contiennent  une  fraction  argileuse,  leur  courbe s'infléchit de manière importante.
Le compactage

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 :

Le compactage

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 :

  1. Les compacteurs à pneus (Pi);
  2. Les compacteurs vibrants à cylindres lisses (Vi);
  3. Les compacteurs vibrants à pieds dameurs (VPi);
  4. Les compacteurs statiques à pieds dameurs (SPi);
  5. 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.