CONCEPTION ET MISE EN PLACE D'UN DISPOSITIF DE SUIVI IN SITU DU GONFLEMENT

Les phénomènes de gonflement des assises pour ce type d’ouvrage restent toutefois peu connus, car peu suivis au cours du temps. Une instrumentation consistant à mesurer les déplacements et variations de pressions interstitielles pendant et après les travaux de terrassement a ainsi été mise en œuvre dans le faciès gonfl ant sous le fond de fouille. Cette instrumentation est l’une des rares permettant de suivre le phénomène de gonfl ement depuis le début des terrassements, et peut constituer un réel apport scientifi que dans la compréhension des phénomènes de gonfl ement.

La gare de Clichy-Montfermeil (CMF) se trouve à la jonction des territoires des communes de Clichy-sous-Bois et de Montfermeil, sur le « plateau de Clichy », dans le département de Seine-Saint-Denis. La gare profonde se présente sous la forme d’une boîte double circulaire (ou bilobe) à forte dissymétrie : elle est constituée de deux cercles de rayon intérieur 16,5 m et 20,6 m (fi gure 0). Le soutènement de cet ouvrage est de type paroi moulée. Le niveau de fond de fouille de l’ouvrage se situe approximativement à 29 m sous le terrain naturel.

L’une des particularités associées à cet ouvrage est en rapport avec la lithologie du site, et plus précisément la présence de marnes bleues d’Argenteuil sous le radier de la gare (fi gure 1). Ces sols présentent un degré de susceptibilité fort au phénomène de gonfl ement : le radier de l’ouvrage a dû être dimensionné et justifi é en conséquence.

Diverses solutions calculatoires ont pu être testées (Interaction sol-structure en éléments fi nis 3D avec pilotage en contrainte effective ou en déplacement) et mises en œuvre avec le concours de la Société du Grand Paris, de son assistant « 2nd regard » (Terrasol), du maître d’œuvre (Egis-Tractebel), et en associant le titulaire du marché de travaux (Webuild – NGE GC) et le contrôleur technique (Socotec). Une instrumentation adaptée à la mesure des phénomènes de gonfl ement a également été mise en place dans le but de suivre le gonfl ement au cours de la vie de l’ouvrage. Cet équipement pourra permettre de constituer un vrai retour d’expérience pour les autres ouvrages enterrés présentant une confi guration similaire, à savoir des radiers profonds sur sols gonfl ants. Le présent article est consacré à la présentation de cette instrumentation novatrice.

ÉTAT DE L’ART

Le gonflement d’un sol se caractérise par une augmentation de son volume. Plusieurs phénomènes peuvent être à l’origine de ce gonflement. On distingue ainsi 2 principaux types de gonflement en fonction des phénomènes qui en sont à l’origine :

• le gonflement mécanique : il s’agit du gonfl ement lié à un déchargement mécanique (excavation, annulation de surcharges…) ;
• le gonflement hydrique : il s’agit d’un gonflement lié à l’apport d’eau dans le sol ou d’une variation de pression interstitielle. Ce phénomène dépend de la microstructure du sol et peut se dérouler de manière continue sur plusieurs années.

Dans les deux cas, le phénomène de gonflement est lié à une variation de contrainte effective causée par une variation de pression interstitielle (pouvant aller jusqu’à la génération de succion). Les aspects physico-chimiques qui expliquent en partie le phénomène de gonfl ement ne seront pas développés ici où seul le phénomène physique résultant est étudié.

Deux grandeurs permettent de caractériser le gonflement des sols en champ libre : sa pression de gonfl ement et son amplitude de gonflement.

Le phénomène de gonfl ement donne lieu à une augmentation plus ou moins importante de l’indice des vides du sol. Lorsque cette expansion est partiellement ou totalement entravée – par la présence d’une structure par exemple –, le gonflement se manifeste alors par une évolution de l’état de contrainte : le sol évolue en convergeant vers un équilibre en contrainte-déformation avec la structure qui lui est accolée. Dans le cas de CMF où la structure est de type radier, il devient alors nécessaire de s’assurer que cet état de contrainte-déformation apporté par le sol gonflant n’est pas incompatible avec les objectifs de service de la structure (résistance et fonctionnement).

DESCRIPTION DU DISPOSITIF D’INSTRUMENTATION DE LA GARE DE CMF

Le dispositif d’auscultation mis en place sur CMF a trois objectifs :

• suivre l’évolution du gonfl ement au sein de la couche gonflante,
• suivre l’évolution de la pression interstitielle au sein de cette même couche,
• suivre la contrainte de gonfl ement en sous face du radier.

À cet effet, les capteurs suivants ont été mis en place :

• 5 capteurs de pression interstitielle dont :
• capteurs ayant une forte plage de mesure de succion (jusqu’à 1500  kPa) et une petite plage de pression d’eau positive (100 kPa) ;
• 2 capteurs de pression interstitielle ayant une plage de succion plus faible (80 kPa) et une plage de pression d’eau positive plus importante (350 kPa) ;
• 4 capteurs de pression totale (jusqu’à 500 kPa) ;
• chaînes d’élongamètres avec 14 points de mesure de déplacements relatifs côté petit lobe et 10 points de mesure côté grand lobe. Pour chaque chaîne, le cumul des mesures de déplacements relatifs donne le déplacement de la couche instrumentée par rapport à une couche de référence (considérée comme stable).

La figure 2 présente l’implantation de l’auscultation. Plus de détails sur le fonctionnement des capteurs sont apportés ci-après.

CAPTEURS DE PRESSION INTERSTITIELLE

La variation de pression interstitielle attendue dans le cas de CMF est importante en raison de l’ampleur du déchargement mécanique (29 m), allant potentiellement jusqu’à la génération de succion. Des capteurs de type tensiomètres spécifi ques (« FRT » - Full Range Tensiometer) ont ainsi été mis en place. Là où les tensiomètres classiques couvrent une plage de succion allant de 0 à 80 kPa en raison du principe de cavitation dans l’eau, les capteurs FRT peuvent aller jusqu’à 1500 kPa grâce à l’utilisation d’un polymère entre la pierre poreuse et l’eau. Trois capteurs FRT ont ainsi été placés sous le fond de fouille dans la couche des marnes d’Argenteuil, dont deux au niveau du grand lobe et un au niveau du petit lobe. La gamme de mesure en pression positive de ces capteurs reste toutefois limitée, ce qui a poussé à compléter le dispositif de mesure avec deux capteurs de pression interstitielle dits classiques.

CAPTEURS DE PRESSION TOTALE (CPT)

Des capteurs de pression totale seront mis en place sous le futur radier (à la date de rédaction de l’article le fond de fouille n’est pas encore atteint).

Ces capteurs se présentent sous forme de deux plaques soudées sur les bords, délimitant ainsi une cavité intérieure. Cette cavité est remplie d’un fl uide incompressible. La plaque est placée dans le sol à l’endroit on l’on veut mesurer la pression totale. Le sol environnant exerce une pression sur la plaque : cette pression est transmise au fluide par les plaques d’acier. La pression du fl uide est ainsi mesurée et retraduite en pression totale.

CHAÎNES D’ÉLONGAMÈTRES

Un élongamètre est un dispositif permettant de mesurer le déplacement entre deux points. Il peut être simplement décrit comme un tube télescopique qui peut s’allonger et se contracter en fonction des sollicitations auxquelles il est soumis. Ainsi, placé au contact du sol via un coulis ayant des caractéristiques proches du sol en place, il s’allonge quand le sol gonfl e et se contracte quand le sol tasse.

Dans le cadre du projet, plusieurs élongamètres ont été chaînés les uns derrière les autres afi n de permettre de mesurer une déformation sur des épaisseurs plus ou moins grandes (50 cm en tête directement sous le radier et 2 m en base en dessous de la couche gonfl ante).

Deux chaînes d’élongamètres ont été placées, une au niveau de chaque lobe.

PRÉPARATIONS ET VÉRIFICATIONS AVANT POSE DES CAPTEURS

Une des principales difficultés de l’instrumentation de CMF repose sur le fait que les capteurs sont mis en place avant excavation. Pour cela, ces derniers sont descendus au sein de la formation gonflante en dessous du radier à l’intérieur de forages.

Cela implique une robustesse des capteurs durant les différentes phases de terrassement jusqu’au fond de fouille.

Un minimum de préparation a donc été nécessaire au niveau des capteurs, ce qui a conduit aux dispositions suivantes:

• résinage de la base du capteur pour renforcer la liaison entre le câble et le capteur et éviter l’arrachement,
• regroupement des câbles sortant (notamment pour les élongamètres) dans un tube PVC. Cette dernière étape est très importante, car elle permet de regrouper et protéger les câbles.

À noter également que la méthode fully grouted («chambre de mesure en coulis») a été retenue pour la mise en place des capteurs de pression interstitielle. Cette dernière est moins courante que la méthode de la chambre de mesure au sable, mais permet un meilleur contact avec le sol en place à condition de vérifier différents paramètres comme la perméabilité du coulis par rapport à celle du sol en place, ce qui a été vérifié ici avec un ordre de grandeur similaire.

Ce même coulis a également fait l’objet d’essais d’écrasement en compression simple avec mesure de module dans le but de s’assurer d’avoir un module proche de celui du sol en place. Ces essais ont permis de s’assurer d’une bonne continuité mécanique du dispositif d’élongamètres.

Enfin, les capteurs de succion ont également été testés en laboratoire sur chemin de séchage sur un échantillon de sol test car ces capteurs sont peu courants dans ce type d’application (mise en place du capteur depuis la surface à l’intérieur d’un forage).

MISE EN PLACE DES CAPTEURS

La mise en place des capteurs de pression interstitielle se déroule selon les étapes suivantes:

• forage jusqu’à 4,50 m sous le fond de fouille avec un diamètre de 150 mm ;
• injection d’un coulis à partir du fond de fouille sur une hauteur de 7 m ;
• mise en place d’un tube métallique de diamètre extérieur 114 mm sur une hauteur de 19,5 m qui permet de couvrir la zone terrassée ;
• descente des capteurs à la cote de mesure dans le coulis frais.

La mise en place des élongamètres se fait selon les étapes suivantes:

• forage sur jusqu’au fond de fouille avec un diamètre de 250 mm ;
• injection d’un coulis de scellement sur toute la hauteur de forage ;
• mise en place d’un tube métallique de diamètre extérieur 214 mm ;
• forage à travers le coulis en diamètre 150 mm sur une profondeur de 15 m sous le fond de fouille pour le petit lobe et 10 m sous le fond de fouille pour le grand lobe ;
• injection de coulis de type CT sur 10 m à partir du fond de fouille ;
• pose de l’élongamètre dans le coulis frais.

ACQUISITION DES DONNÉES

Une acquisition temporaire pendant le terrassement permettra de mesurer l’effet du déchargement sur le comportement du sol (déformations et variation de pression interstitielle). Cette acquisition concerne les élongamètres et les capteurs de pression interstitielle. Le dispositif d’acquisition se présente sous forme d’un coffret contenant une batterie et un boîtier qui mesure et stocke automatiquement les informations venant du capteur à intervalle régulier. À ce stade, l’acquisition se fait à raison d’une mesure toutes les 4  h. Chacun des capteurs est donc raccordé à un coffret directement sanglé en tête du tube métallique. Les informations stockées dans le boîtier sont récupérées périodiquement en connectant le boîtier à un ordinateur.

À la fin du terrassement, tous les capteurs seront reliés à une centrale d’acquisition permanente qui assurera de façon plus pérenne la mesure et le stockage des données. Les mesures seront prolongées au-delà des phases travaux jusqu’aux phases de service de l’ouvrage.

RÉSULTATS

Les capteurs ayant été posés à la fin du mois d’août 2021, les résultats disponibles ne sont donc pas représentatifs à ce jour (faible épaisseur excavée) pour être présentés. Ces derniers feront donc l’objet d’une communication ultérieure une fois le terrassement terminé.

CONCLUSION

Un système d’auscultation novateur a été mis en place afin de suivre le comportement d’un faciès potentiellement gonflant sous le radier d’un ouvrage enterré.

Le système d’auscultation a été mis en place au début des travaux de terrassement de l’ouvrage et permettra de mesurer en continu les différents phénomènes en jeu, que ce soit la variation de pression interstitielle à l’intérieur du sol ou sa déformation en différents points. Les résultats de ce dispositif permettront probablement de mieux comprendre le phénomène de gonflement, de vérifier les modélisations numériques réalisées et d’apporter un retour d’expérience précieux au Grand Paris Express et à la profession géotechnique.

Missom Ouedraogo, Dino Mahmutovic, Jérôme Palisse

Géotechniciens

Egis