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Reiffsteck Ph. – Journées Franco-Belge Soutènements – 12/05/2011 1
Propriétés du produit SoilmixPh. Reiffsteck, A. Le Kouby, F. Szymkiewicz, A. Guimond-Barrett, A. Pantet
Journée d’étude Franco-Belge "Soutènements" Lille – 12/05/2011Philippe REIFFSTECK
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Soil mixing
On est confronté:• Diversité des techniques
– Outils à hélices– Outils à pales– Outils à couteaux
• Cinématique de cisaillement :– Giratoire– Linéaire– Convergent
• Difficultés – Compromis entre
désagrégation et malaxage– Puissance et encombrement
importants des machines
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Soil mixing
On est confronté:• Diversité des pratiques
– Essais de laboratoire• Méthode de préparation (malaxeur, temps, incorporation de l’eau)• Méthode de conservation (immersion, humide, atmosphère contrôlée,
cycles)• Protocole d’essai (monotone, cyclique)
– Prélèvements • En surface (spoil)• En profondeur (prélèvement dans le frais, carottage durant la prise)
– Essais en place• Arrachement de barre, profils• CPT• pressiomètre
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Facteurs influant sur la résistance du solmix
(d’après Terashi, 1997)• I. caractéristiques de l'agent de stabilisation
– 1. Type d'agent de stabilisation– 2. Qualité– 3. Eau de mélange et additifs
• II. caractéristiques et conditions de sol (particulièrement important pour les argiles)– 1. propriétés physico-chimiques et minéralogiques du sol– 2. teneur en matières organiques– 3. pH de l'eau interstitielle– 4. teneur en eau
• III. conditions de malaxage – 1. Degré de malaxage – 2. Temps de malaxage et de re-malaxage – 3. Quantité d'agent de stabilisation
• IV. conditions de cure – 1. Température– 2. Temps de séchage– 3. Humidité– 4. Cycles humidification - séchage / gel - dégel, etc
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Dosage et formulation• Le Soil-mixing se situe entre deux méthodes très répandues :
- en béton de structure- en terrassement
• Les méthodes du soil-mixing sont actuellement empiriques et résultent principalement de la pratique. Deux grandes voies :
– élaboration d’un dosage par tâtonnement à partir d’une valeur initiale issue des retours d’expérience
– corrélations entre les dosages et les Rc obtenus sur certaines texturesLeur capacité à prédire le comportement du matériau élaboré est relativement faible (difficulté à proposer des valeurs caractéristiques).
• Validation de la méthode de dosage. Deux grandes voies :– à partir de mélanges préliminaires faits en laboratoire,– à partir de vérification des paramètres d’exécution et de prélèvements de surface (le
problème est qu’en fonction de la texture du sol et de la machine l’écume - spoil – n’est pas représentative et cela fausse les corrélations).
– des essais sur éprouvettes issus de carottages faits dans les ouvrages,
• La connaissance des caractéristiques des sols et des méthodes d’exécution devrait permettre de proposer à l’issue de cette étude une méthode de dosage adaptée au soil-mixing.
Reiffsteck Ph. – Journées Franco-Belge Soutènements – 12/05/2011 6
Impact des propriétés du sol
• Définir le pourcentage de ciment optimal pour :• annuler l’activité de la fraction argileuse indésirable• fournir les liaisons inter-agrégat conduisant à la résistance exigée par
l’ouvrage
0
50
100
150
200
250
300
350
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Rc28 (kPa)
C (kg/m3) Argiles japonaiseslimonstourbeargilegravier+sablesable havrelimons vasards du havreGyttjaArgile de Finlande
Argile et silts organiques
Tourbe
Argiles et silts
ilSilts
Sables
Graviers
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Rc 28 (kPa)
C (k
g/m
3) ADPKaoliniteFontainebleau-Kaolinite (25%-75%)Fontainebleau-Kaolinite (50%-50%)Fontainebleau-Kaolinite (75%-25%)SilicaFFontainebleau-SilicaF (50%-50%)Fontainebleau-SilicaF (75%-25%)VemarsFontainebleauTrielFréjus
Argile et silts organiquesTourbe Argiles et silts
argileux
Silts sableux
Sables
Gravier
Nécessité d’avoir un troisième axe pour tenir compte de la teneur en
eau ?
4
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Protocole de malaxage
• Protocole : géométrie, temps, ordre– Représentativité ?
– Importance des protocoles issus de la pratique des pays utilisant principalement le soil mixing comme amélioration de sols organiques compressibles
s’en affranchir ?
ouou ou
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Protocole de malaxage
• Représentativité ?– Dépend de l’outil et du sol
chantier labo
E = 199,56 RC
R2 = 0,7763
050
100150200250300350400450500
0 0,5 1 1,5 2 2,5RC (MPa)
E (M
Pa)
chantier
laboratoire
5
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Protocole de malaxage• Évolution de la teneur en eau du limon traité au ciment en fonction
du temps– Quantité de ciment : 320kg/m3
– C/E total visé : 0,35 – Préparation du mélange : sol sec + ciment, puis eau– Temps de malaxage : 10 minutes – Vitesse de rotation : 62 tr/min
3032343638404244464850
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Temps (jours)
Tene
ur e
n ea
u w
n (%
)
C320W48
C265W40
C320W48 1 min
C320W48 coulis
C320W48 coulis 4h
C210W39,5
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Protocole de conservation• Influence des conditions de cure
Conservation pendant 7j dans sacs étanches
Dessiccation T=20°C Hr=30%
Cycles humidification/séchage
Immersion
Sacs étanches
Rc à 28j et 90j
6
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Protocole de conservation• Déformation à la rupture du solmix
0
1
2
3
0 5 10 15 20 25qu (kPa)
Failu
re s
trai
n (%
)Fontainebleau
Triel
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 500 1000 1500 2000 2500
Rc (KPa)
Déf
orm
atio
n à
la r
uptu
re (%
)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Rc (KPa)
Défo
rmat
ion
à la
rup
ture
(%)
Sacs étanches
Immersion
Atmosphère controlée
Cycles ASTM
C320W48
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Rc (kPa)
Déf
orm
atio
n à
la ru
ptur
e (%
)
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Protocole de conservation
• Relation module résistance à la compression– Fontainebleau, Jossigny
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 2 4 6 8 10 12Rc (MPa)
E 50 (
MPa
)
Cure endogène (A)
Cure dans l'eau (B)
Cure à l'air (C)
Cycles humidification/séchage (D)
Jegandan et al (2010)
E50 = 55 Rc
E50 = 160 Rc
0
50
100
150
200
250
300
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Rc (MPa)
E 50 (
MPa
)
Cure endogène (A)Cure dans l'eau (B)Cure à l'air (C)Cycles humidification/séchage (D)Cure endogène C320W48Boston Blue Clay
E50 = 300 Rc
E50 = 55 Rc
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Formulation• Fraction granulaire
– Granulats et agrégats
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 20 40 60 80 100% de fines (en volume)
indi
ce d
es v
ides
dpetit=3,15 mmdpetit=0,91 mmdpetit=0,66 mmdpetit=0,48 mmdpetit=0,28 mmdpetit=0,19 mmdpetit=0,16 mmmélanges billes 1,5mm/8mmmélanges sable/argile
limite supérieure
grosses particules dgros=3,15 mm
emin
Cr
0
0,2
0,4
0,6
0,8
0 20 40 60 80 100Pourcentage des fines (%)
e
ThéorieExpérimentation
sable et argile
Différents sols
Modèle de l’empilement granulaire (MEC) acceptable pour les sols
T
L S
volu
me
tota
l (so
lides
et v
ides
)
volume des vides
volume des particules fines
volume des grosses particules
0% 100%pourcentage de la fraction fine
L S
remplacement des solides
0% 100%pourcentage de la fraction fine
remplissage des vides
Temin (T)
emin
LT T TS
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Formulation• Exemple de résultats
• Plus grande résistance pour un mélange sable de Fontainebleau - Kaolinite 75/25 que pour un mélange 100/0 rôle de la structure granulométrique confirmé
• Application à d’autres sables et argiles
• Intégration de résultats provenant de chantiers SBF (principalement prélèvements en surface) : Vémars, Montereau, Triel, Honfleur, Fréjus, Eguzon, Ebange
(Nina, 1977)ciment
??
mélange Fontainebleau Kaolinite à 210 kg/m3
0
1000
2000
3000
4000
5000
0 20 40 60 80 100pourcentage de sable (%)
rési
stan
ce à
la c
ompr
essi
on s
impl
e R
c (k
Pa)
7j 14j 21j
28j 56j 90j
(Terashi, 1997)chaux
8
Reiffsteck Ph. – Journées Franco-Belge Soutènements – 12/05/2011 15
Formulation• Principes généraux
• avec proportions respectant :– % D fraction fine ≤± 30 % de D fraction grossière– D fraction fine ≤1/7 de D fraction grossière
• avec apports indirects possibles : – mélange des strates– chaux transformant fraction argileuse en fraction limoneuse– Bentonite permet de stabiliser dans les sols principalement granulaires
béton solmix solterrassement
+ciment
+ eau
efficace
s g
+ciment
(&bentonite)+
eau (%↑)
+chaux
(&ciment) +
eau (%↓)
+eau
Fuseau d’acceptationCourbe de Fuller
BolomeyFauryDreuxMEC
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Formulation• Dosage cimentBéton
350 à 400 kg/m3
(autoplaçant150 à 350 kg/m3)
C/E=1,2 à 2,6(autoplaçantC/E=0,8 à 1,8)
Solmix
140 à 400 kg/m3
C/E= 0,2 à 1
Terrassement
1 à 2% CaO6 à 8 % CEM110 à 130 kg/m3
C/E=8
Aboutir à une relation
VBS type d’argile coefficient correcteur du dosage en cimentIP wLavec ligne A IP=0,73.(wL-20) ou ligne U IP=0,9.(wL-8) autoplaçant
VVv
Vs solide sem
i sol
ide
plastiqueliquide visqueux
liquide dispersé
enfo
ncem
ent
volu
me
enfoncement d'un cylindre posé sur le sol
volume croissant en fonction de la teneur en eau
wR wP wL wF
teneur en eau (% de la masse)
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Formulation
Consoli et al, 2010
• Evolution de la résistance à la compression en fonction du dosage en ciment et de la texture du sol
Szymkiewicz et al, 2010
Augmentation de la résistance avec le dosage en ciment linéaire àparabolique
y = 7,6757x2,0894
R2 = 0,9968
y = 10,265x2,1458
R2 = 0,9984
y = 22,194x1,9538
R2 = 0,9963
y = 27,941x1,9564
R2 = 0,9974
y = 30,23x1,9869
R2 = 0,996
y = 16,539x2,0265
R2 = 0,9971
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
0 5 10 15 20 25Cement (%)
q u (k
Pa)
7 days old
14 days old
21 days old
28 days old
90 days old
180 days old
Fontainebleau
Reiffsteck Ph. – Journées Franco-Belge Soutènements – 12/05/2011 18
Comportement mécanique
Huybrechts et Ganne, 2009Szymkiewicz et al., 2010
Jegandan, 2010
• Relation entre la rigidité et la résistance (cas des sables)
Attention protocole spécifique
0
200
400
600
800
1000
0 5 10 15 20qu (MPa)
E 50 (
MPa
)
FontainebleauTrielFréjusJegandan 2010
10
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Fontainebleau
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50 60
age (jours)
Rcj
/Rc7
70140210320265400
Comportement mécanique
coulis
0
1
2
3
4
5
6
7
0 20 40 60 80 100Age (jours)
Rcj /
Rc7
0,2 0,3 0,4 0,5
0,6 0,8 1
• Dépend du dosageÉvolution similaire
Kaolinite
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50 60
Age (jours)
RC
j / R
C7
C210-w0,6-0,248C210-w1,2-0,124C320-w1,2-0,175C400-w1,2-0,208C140-w1,2-0,09C320-w0,7-0,3
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50 60
temps (j)
Rcj
/Rc7
(-)
Fontainebleau-Kaolinite (50%-50%)
Fontainebleau-Kaolinite (25%-75%)
Fontainebleau-Kaolinite (75%-25%)
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Projet Rufex
Renforcement et ReUtilisation des plateformes Ferroviaires et des Fondations Existantes
• Problème posé :– Ré-utilisation de sites urbains– Renforcer / Réutiliser les fondations – ou bien démolir
• Blocages pour le Renforcement / Réutilisation– Coût / praticabilité des méthodes actuelles (micropieux)– Liaison avec structure– N’utilisent pas la fondation existante
• Renforcement / réutilisation co-opératif de la fondation– Soil Mixing avec outils de géométrie variables– Maîtrise des caractéristiques in-situ : résistance,
homogénéité
11
Reiffsteck Ph. – Journées Franco-Belge Soutènements – 12/05/2011 21
End of line
C11.2B C14B
C10 C13B
C15 C12
Reference measure
Enjeux• Amélioration des sous-
structures de voies ferrées existantes sans dépose
• Premiers essais de l’outil Springsol dans le cadre des recherches SNCF-RFF et Innotrack
Reiffsteck Ph. – Journées Franco-Belge Soutènements – 12/05/2011 22
Objectifs• Acquis
– Faisabilité avérée– Protocole adapté
Limon
Craie altérée
Craie saine
Essai 1
Essai 2
• Reste à :– optimiser l’outil et son atelier – maîtriser le suivi– tester d’autres configurations
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Reiffsteck Ph. – Journées Franco-Belge Soutènements – 12/05/2011 23
L’innovation : Fondation ajustable
• Maîtriser la forme de l’outillage– Outils de soil mixing à géométrie variable
• Empreinte au sol minimale / Fondation maximale • Pieux : frottement latéral, pointe• Fond. Superficielles : capacité portante
• Maîtriser la résistance in-situ du soil-mixing– Caractériser les mélanges sols-ciment– En fonction de la teneur en eau – Nouveaux types de liants
• Maîtriser l’homogénéité du mélange in-situ – Interaction soil-mix / outil de malaxage– Critères actuels expérimentaux optimisation
• Fondation ajustable (géométrie, caractéristiques)
Reiffsteck Ph. – Journées Franco-Belge Soutènements – 12/05/2011 24
Durabilité
• Comment se comporte le matériau soil-mix à long terme? – Maturation– Évolution de la résistance dans le temps
• Quel est l’impact des dégradations du matériau soil-mix sur l’ouvrage ?
• Comprendre et décrire les différentes réactions chimiques et physiques successives se produisant entre le sol et le liant en fonction de la nature du sol, de son état, de son environnement chimique. – Interaction avec le sol et l’eau libre ainsi que des polluants et une
salinité
13
Reiffsteck Ph. – Journées Franco-Belge Soutènements – 12/05/2011 25
Durabilité• La prise en compte de la physico-chimie des sols (eau et solide) pour
voir l’adaptation de cette technique à des conditions de sol variées (sols marins, sols pollués, rôle des sulfates et chlorures…).
• programme d’essais faisant varier la nature des sols, du liant, de l’eau et différents polluants, observation des échanges avec l’environnement à la réalisation, au jeune âge et au cours de la vie de l’ouvrage :
– sols à différents états hydriques, – de cycles hydriques, – de la perméabilité du soil mixing, – de la présence d’éléments chimiques néfastes au liant,
• L’impact de ces sollicitations sur le comportement hydromécanique sera étudié par des analyses physicochimiques, de conductivitéhydraulique et de résistance mécanique,
• Influence du rechargement lié au trafic sur le temps de cure et du chargement cyclique au jeune âge sur la résistance mécanique sera entreprise.
Reiffsteck Ph. – Journées Franco-Belge Soutènements – 12/05/2011 26
Durabilité
• Evolution • de la résistance à la compression en
fonction de la teneur en eau • du module de déformation en fonction
de la résistance à la compressionpas de tendances nettes
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Programme de rechercheProgramme de recherche• Un travail de mise au point d’une méthode de dosage adaptée au soil-mixing
avec:– la réalisation d’essais sur chantier reproduisant complètement les processus de
mise en œuvre (forage, injection, malaxage et consolidation) avec une étude des paramètres d’exécution,
– la réalisation d’essais en laboratoire reproduisant en partie les processus de mise en œuvre permettant d’affiner la caractérisation du sol renforcé (dosage, physicochimie du sol, puissance de malaxage…) en conditions maîtrisées,
– des essais en laboratoire de chargement mécanique et des analyses minéralogiques permettront la caractérisation des matériaux résultants à différents états de maturité.
• L’interaction des colonnes de sol-ciment avec leur environnement sera étudiée dans le cadre d’un programme d’essais complémentaires.
• Un travail d’interprétation des résultats de ces expériences et l’application àun ou plusieurs ouvrage(s) de type fondation ou voie ferroviaire.
Accès à la connaissances de la rhéologie des suspensions composées d’argiles + eau + ciment/chaux peu connue actuellement.
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Programme de rechercheProgramme de recherche
• Des thématiques proches du programme de recherche IWT Project nr. 080736 « SOIL MIX in constructieve en permanente toepassingen » piloté par le WTCB/BBRI/CSTC et l’ABEF :– la réalisation d’essais sur chantier :
• essais d’arrachement de profils, test de l’adhérence du solmix, • essai de perméabilité in situ
– la réalisation d’essais en laboratoire : • caractéristiques mécaniques : UCS, module d’élasticité,
résistance à la traction, porosité, perméabilité,…• étude de la durabilité : essai de fluage, attaque chimique de
polluant, influence de l’eau salée, carbonatation, problème de corrosion…
• Echanges avec le WTCB/BBRI/CSTC– Rencontres prévus ,– Accueil au WTCB d’A. Guimond-Barrett
15
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Merci de votre attention
IfsttarStructure de recherche