À partir de l’exemple d’Haropa Port-Le Havre en particulier, et aussi d’Haropa Port-Rouen et du port de Brest, cet article vise à présenter certains de ces enjeux et à montrer comme ils peuvent être appréhendés  : la caractérisation des sols en place, la reconnaissance des ouvrages existants et leur connaissance historique ainsi que l’interaction entre les ouvrages neufs et anciens qui nécessite la mise en œuvre de techniques et de procédures d’exécution particulières, le dimensionnement d’ouvrages peu courants, tels que les gabions, la mise en place de pieux et de palplanches par battage ou vibrofonçage, le renforcement et enfin l’amélioration des terrains par inclusions rigides ou drains verticaux au droit de zones de stockage. Une synthèse des enseignements tirés de l’analyse de ces différents enjeux est présentée en conclusion.

LES RECONNAISSANCES GÉOTECHNIQUES

Les ports en France métropolitaine, notamment à proximité des embouchures des grands fleuves, sont pour la plupart situés dans des contextes géologiques quaternaires, avec des sols déformables en surface surmontant un horizon plus raide. Des phénomènes successifs de creusement de chenaux et d’érosion, ainsi que des accidents géologiques de type faille, peuvent rendre ardue l’interprétation des reconnaissances géotechniques. Au Havre, les séries alluvionnaires sont par exemple structurées par l’estuaire de la Seine qui a connu de nombreuses oscillations climatiques, tandis qu'à Rouen, par exemple, la présence de deux failles traversant le bassin Saint-Gervais et la presqu’île Rollet a permis la remontée du faciès de l’Albien du Crétacé inférieur (argiles du Gault et sables verts) par rapport à la craie du Crétacé supérieur. Le contexte hydrogéologique est souvent simplifié à un seul aquifère dont les fluctuations suivent les variations de la marée, ce qui peut conduire à une conception simpliste et optimiste des projets. En réalité, différentes configurations peuvent être rencontrées en zone portuaire en fonction de la présence de couches de faible perméabilité intercalées dans des couches plus perméables (silts inférieurs situés entre les sables gris-vert et les graves de fond au Havre (voir figure 1) ou sables du Flandrien supérieur incluant un niveau caractéristique intermédiaire de limons à Dunkerque), de la nature des nappes (libre, alluviale, captive, salée et/ou karstique), de leur localisation (par exemple, zone estuarienne pour Port  2000 sur les figures 1 et 2, bassin à flot pour le quai Hermann-du-Pasquier et le bassin aux pétroles, bassin de marée pour le quai Joannès-Couvert, etc.), de l’historique de la zone, etc. Ainsi, il convient de rappeler que seuls des piézomètres sélectifs correctement réalisés (crépinés dans un aquifère et isolés de l’autre aquifère) peuvent fournir des données utiles pour analyser le comportement des différentes nappes sous l’influence de la marée. Par ailleurs, souvent, les conditions piézométriques au sein des horizons profonds ne font pas l’objet d’investigations ou de mesures. En tout état de cause, sauf exception confirmée par un suivi piézométrique automatisé sur une période suffisamment longue, un déphasage entre le niveau d’eau côté terre-plein et le niveau d’eau côté bassin est à considérer en conception. Celui-ci se révèle bien souvent dimensionnant pour les ouvrages et peut, en règle générale, être pris au niveau moyen côté terre-plein et au niveau minimum côté bassin. Côté bassin, dans le cas de couches de faibles perméabilités comme dans l’argile de Villerville, le niveau piézométrique dans ces couches correspond en fait au niveau moyen. Dans certains cas particuliers, le niveau dimensionnant du terre-plein sera dicté par le phasage de construction et la période de fermeture de l’ouvrage. Par exemple, la méthodologie de réalisation d’une digue d’enclôture peut imposer la fermeture à marée montante avec un niveau définitif supérieur au niveau moyen. Par ailleurs, la salinité de l’eau dans ces projets nécessite des bétons adaptés, et parfois certains ajustements dans leur composition au démarrage des chantiers de fondations profondes afin d’obtenir une rhéologie appropriée de ceux-ci.

L’analyse détaillée des essais en laboratoire, et en particulier des essais d’identification (analyse granulométrique et teneurs en eau), met en lumière plusieurs aspects à considérer dans la conception de ces projets et dans les choix des techniques à retenir pour leur exécution. En effet, la présence de formations composées par des bancs de sables fins à granulométries resserrées peut rendre délicate la réalisation de certains types de fondations profondes et des écrans de type paroi moulée. Également, la présence de matériaux compressibles peut conduire à des renforcements de sols qui doivent être adaptés à la présence de matière organique et à la granulométrie des sols en place.

RECONNAISSANCE ET HISTORIQUE DES OUVRAGES EXISTANTS

Les modifications d’utilisation des quais et de leurs terre-pleins arrière conduisent parfois à devoir réutiliser des ouvrages existants plus ou moins anciens. Lorsque ces situations se présentent, une analyse de l’historique de la zone et des ouvrages existants est essentielle pour identifier d’éventuels points de faiblesse. Une analyse pyrotechnique permet également d’apprécier la probabilité de rencontrer des engins explosifs dans la zone d’étude. On peut citer à ce titre comme jugé utile dans un premier temps tout plan d’archives (comme l’illustre la coupe du quai Joannès-Couvert au Havre – Figure 4), tout reportage photographique de travaux antérieurs permettant de reconstituer un phasage des travaux (figure 5), tout historique de départ de fines, voire de relevés de fontis sur le terre-plein qui sont assez récurrents sur ce type d’ouvrage (figure 6), tout relevé de réseaux et de leurs exutoires. Dans un second temps, il est fortement recommandé que ces données bibliographiques soient associées à un diagnostic structural de l’existant et à quelques reconnaissances spécifiques permettant de venir conforter leur géométrie et leur état. On peut citer les exemples suivants : les relevés bathymétriques synchronisés à des relevés topographiques, les prélèvements destructifs et les essais mécaniques sur la structure (maçonnée, en béton, métallique), les auscultations non invasives comme la mesure des épaisseurs des ouvrages métalliques et la détection d’armatures dans le béton, les reconnaissances géophysiques, etc. Assez couramment, il est bien évidemment constaté que les données d’archives sont incomplètes. Ces reconnaissances peuvent également avoir le bénéfice de retrouver quelques dispositifs de confortement de ces ouvrages. De Rouen au Havre, il est intéressant de constater qu’il est possible de retrouver la plupart des ouvrages portuaires : digues à talus, quais sur pieux (battus en bois, en béton préfabriqué ou métalliques), quais écrans (paroi moulée à fort tirant d’eau, rideaux de soutènement), quais poids (en muraille pleine, tel le tronçon central du quai Joannès-Couvert ou en béton armé sur caissons, sur voûte, etc.). Certains de ces ouvrages ont subi des reconstructions à l’issue de la Seconde Guerre mondiale. La variabilité de la nature et de l’historique de chacun de ces ouvrages rend alors singulière et intéressante chacune de ces études.

DIMENSIONNEMENT D’OUVRAGES MARITIMES TYPIQUES

Le dimensionnement des ouvrages maritimes conduit à aborder des aspects assez spécifiques du calcul des ouvrages géotechniques. Il est difficile de dresser une liste exhaustive de tous ces aspects, et il convient ici de décrire ceux qui sont apparus comme les plus intéressants en termes de retour d’expériences. Le mode de réalisation des quais maritimes oblige à mettre en œuvre des remblais par voie hydraulique à l’abri de rideaux de palplanches et de contre-rideaux ou de batardeaux. Un aspect délicat du dimensionnement est alors l’estimation de la pression des terrains agissant sur les rideaux de palplanches. Récemment, un tel batardeau a été mis en œuvre sur le quai Hermann-du-Pasquier (HDP) par NGE dans le port du Havre pour le compte de Haropa. L’ouvrage présente ici un caractère provisoire destiné seulement à la réalisation de pieux qui supporteront la dalle définitive du quai : il s’agit en fait de réaliser une plateforme permettant la réalisation de pieux à la tarière creuse. Différentes hypothèses ont été réalisées afin de rendre compte de l’incertitude relative à la pression des terrains s’appliquant sur les palplanches du batardeau. Ce sujet est assez complexe à cerner sur le plan théorique, car il dépend éminemment de la procédure de mise en œuvre (épaisseur de remblai mise en œuvre, vitesse de remblaiement, etc.) et du type de matériaux utilisés (granulométrie, quantité de fines, poids volumiques des grains, etc.). Des coefficients de poussée des terres compris entre 0,3 et 0,6 et parfois même 1,0 sont rapportés dans la littérature, notamment dans l’ouvrage d’André Houy sur le dimensionnement des ouvrages en palplanches en acier qui fait toujours référence. Un suivi de l’ouvrage durant son remblaiement est fortement recommandé : il fut bien mis en œuvre sur le quai HDP et montra l’adéquation entre les calculs réalisés et le mode de mise en œuvre du remblai. Un autre problème corollaire à ce type d’ouvrage est la justification des angles des batardeaux ou des quais. En général, des tirants sont mis en place pour relier deux rideaux principaux perpendiculaires l’un à l’autre formant cet angle. La distance d’installation de ces tirants depuis l’angle du quai est un paramètre fondamental du comportement de cet angle. Les efforts induits dans ces tirants par la poussée des terres doivent être équilibrés dans les directions longitudinales de chaque rideau. Cette condition nécessite la mise en place de liernes et d’une poutre de couronnement assez massive permettant de soulager les serrures des palplanches qui ont tendance à être sollicitées en traction. Dans certains cas, un contre-rideau peut être mis en place afin de réduire les efforts longitudinaux que les rideaux principaux doivent reprendre. Une distance maximale d’installation des tirants de l’ordre des trois quarts de la hauteur soutenue est à respecter. Au-delà, les efforts longitudinaux à équilibrer dans les rideaux augmentent de manière colossale par rapport au type de profilés retenus  : l’angle du quai présente alors un comportement anormalement souple.

Le dimensionnement d’enceintes circulaires en palplanches plates (AS-500) appelées communément gabionnades ou gabions est également très spécifique du fait de la diversité des mécanismes de rupture envisagés. Par exemple, pour les ouvrages récents de la digue d’enclôture du port de Brest (figure 7) ou l’ouvrage de fermeture du bassin aux pétroles du port du Havre, tous deux construits par Bouygues, il est nécessaire de vérifier la stabilité externe (glissement, portance et excentrement) et la stabilité interne (rupture par cisaillement vertical, rupture du massif de sol intérieur de type Brinch-Hansen, rupture à la traction des palplanches et dégrafage des serrures – figure 8). Ces vérifications permettent de définir le diamètre des gabions, l’épaisseur des palplanches ainsi que la nuance d’acier pour garantir la résistance au dégrafage nécessaires pour la stabilité de l’ouvrage. Dans les cas où la conception ne prévoit pas une purge des matériaux confinés à l’intérieur de l’enceinte, il convient de les consolider par des drains verticaux préinstallés avant le remblaiement de l’enceinte afin de stabiliser l’ouvrage à long terme vis-à-vis des cas de charge service, comme le remblaiement du terre-plein couplé à des charges d’exploitation en surface. Le phasage de remblaiement et d’attente est donc à intégrer dans chaque vérification afin de tenir compte de l’évolution de la cohésion non drainée avec le taux de consolidation.

BATTAGE ET VIBROFONÇAGE

Les ouvrages maritimes imposent très souvent la mise en place de pieux ouverts ou de caissons de palplanches ouverts par battage ou vibrofonçage. Ce mode de réalisation des fondations nécessite la réalisation d’essais de chargement statique et dynamique de manière à bien estimer leur portance (figure 10). En effet, dans le cas de profilés ouverts, le terrain entre dans le pieu au cours du battage et peut, sous certaines conditions, provoquer un bouchon conduisant à un refus puisque le pieu se comporte alors comme un pieu battu fermé. Dans la mesure où le pieu est peu sollicité par des charges de traction ou des charges transversales et que le marteau mis en œuvre est suffisamment puissant, ce refus peut être vu comme une information positive puisqu’il indique que la portance est suffisante. Néanmoins, les conditions de formation d’un bouchon peuvent nécessiter des profondeurs de pénétration assez grandes de l’ordre de 10 à 15 diamètres, ce qui est assez important puisqu’en général les pieux dans le domaine maritime ont des diamètres supérieurs à 1,2 m. Quand cette profondeur de pénétration n’est pas atteinte, le terrain pénètre dans le pieu durant le battage ou le vibrofonçage ce qui traduit une résistance de pointe très faible. Toujours dans le cadre des travaux conduits par Haropa sur le port du Havre, afin d’augmenter la portance des pieux battus du quai Joannès-Couvert, le groupement d’entreprises conduit par Eiffage a proposé la mise en place d’un diaphragme permettant de limiter la pénétration du terrain dans le tube ouvert et ainsi d’augmenter significativement la résistance du pieu. Ce dispositif a été validé par des essais de chargement statique sur lesquels des essais de chargement dynamique ont été étalonnés permettant un suivi pertinent durant la mise en place des pieux constituant l’ouvrage définitif. L’utilisation d’un diaphragme demande néanmoins une bonne analyse des conditions de pénétration du pieu dans le terrain  : positionné trop bas, il peut conduire à un refus de battage prématuré et positionné trop haut, son efficacité peut être fortement réduite. Sur le port de Rouen, les conditions de battage dans la craie et dans l’Albien présentent une plus forte variabilité. Aussi, dans le cadre des travaux de réhabilitation du quai du Bassin-au-Bois, Haropa et VCMF, entreprise titulaire du marché de travaux, réalisent un contrôle de chaque pieu battu et compensent les éventuels défauts de portance par l’introduction de micropieux en pointe (racine) ou par une substitution en béton du bouchon de pied.

DIMENSIONNEMENT DES ZONES DE STOCKAGE ET DE MANUTENTION

Les quais maritimes sont très souvent conçus dans la perspective d’échanges commerciaux soutenus, ce qui les conduit à devoir supporter des zones de stockage ou de manutention qui se caractérisent par leur grande étendue et la présence de charges et de colis de masse très significative. Par exemple, sur les quais Hermann-du-Pasquier et Joannès-Couvert, des surcharges uniformes de l’ordre de 40 à 110 kPa sont considérées. Ces charges importantes obligent assez naturellement à améliorer ou renforcer les terrains en place. Des techniques d’inclusions rigides ou de drains verticaux associés à des surcharges temporaires sont alors utilisées. Un aspect important de la conception de ces zones de stockage et de manutention est l’identification et la définition des cas de charges réellement pertinents par rapport aux états limites que les Eurocodes imposent de vérifier. La distinction entre les combinaisons quasi permanentes, fréquentes et caractéristiques est fondamentale si l’on ne veut pas aboutir à des surdimensionnements et des surcoûts manifestes. La combinaison caractéristique des états limites de service est définie pour une période de retour de 50 ans : elle correspond donc à des charges particulièrement importantes mais de courte durée d’application. Ces informations sont primordiales pour le géotechnicien dans le choix des valeurs des propriétés des terrains permettant de calculer les tassements ou les efforts dans les fondations. Sur les zones de manutention, l’estimation des tassements des grues de fort tonnage obéit aussi aux mêmes principes : la grue circule à vide la plupart du temps, et quand elle manutentionne des charges les contraintes transmises aux terrains sont de courte durée d’application. Par ailleurs, le fonctionnement des grues en charge repose sur un transfert des charges de l’arrière vers l’avant de la grue favorable à la vérification de tassements. Tous ces aspects ont par exemple été abordés dans le cadre de la justification des quais Hermann-du-Pasquier et Joannès-Couvert au Havre : leur prise en compte permet une mise en œuvre mesurée des volumes de béton et d’acier tout en garantissant une robustesse suffisante de l’ouvrage réalisé. Des augmentations de charge d’exploitation sur des zones de stockage ou de circulation de grue situées en crête de berges conduisent également à profiter de ces renforcements de sol pour ne pas dégrader le niveau de stabilité au grand glissement des berges. Les inclusions rigides passent alors en domaine 1 vis-à-vis des recommandations Asiri dans ce type de configuration comme ce fut le cas pour le quai de la Papeterie, le quai «Sogema» et le quai du Bassin-au-Bois à Rouen.

QUELQUES IDÉES À RETENIR

Les différents enjeux présentés, sans constituer une liste exhaustive, témoignent de la complexité des projets géotechniques dans le domaine portuaire. Ils donnent un aperçu de quelques problèmes rencontrés récemment qui méritent d’être partagés avec l’ensemble de la profession géotechnique. Chaque projet présente ses propres spécificités qui doivent être appréhendées avec pragmatisme. La durabilité des ouvrages et notamment les effets de la corrosion n’ont pas été abordés, car ils constituent à eux seuls un enjeu particulièrement vaste.

REMERCIEMENTS

Les auteurs remercient les maîtres d’ouvrage des différents projets portuaires cités dans cette communication, en particulier Haropa, en charge des ports du Havre, de Rouen et de Paris, ainsi que la Région Bretagne.

Mathilde Brun Chef de projets Terrasol

Antoine Abboud Ingénieur en chef Terrasol

Sébastien Burlon Directeur d’études Terrasol