Colonnes ballastées

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Par voie sèche 1. Pénétration jusqu’à la profondeur requise. Création par lançage d’un espace annulaire autour de l’aiguille vibrante. 2. Mise en œuvre du ballast depuis la surface de refoulement latéral du sol autour de la colonne. 1. Le vibreur descend jusqu’à la profondeur souhaitée sous l’effet des vibrations et du lançage d’air. 2. La colonne est construite par apport de ballast via le tube latéral longeant le vibreur. 3. Le diamètre des colonnes varie selon la résistance du sol. Finition par nivellement et compactage de surface.

© Doc. Solétanche Bachy

Le constat

Par recherche de moindre coût, les colonnes ballastées ont pu servir d’alternative à des solutions classiques de fondations profondes par pieux et plancher porté.
Or, mises en œuvre dans des contextes géotechniques échappant à leur domaine d’utilisation recommandé, elles ont entraîné des désordres qui se sont traduits par des tassements, parfois spectaculaires et affectés d’un différentiel marqué, et toujours d’une amplitude très largement supérieure aux calculs initiaux (jusqu’à 20 à 30 fois dans certains cas), avec pour conséquences :
• dévers de poteaux de structure ;
• fissuration et déformation de dallage allant jusqu’à l’inaptitude à l’exploitation de locaux et de parkings ;
• basculement de bâtiments d’habitation.
Sans atteindre de tels extrêmes, de nombreux désordres ont été suscités par l’inadéquation du traitement du sol par colonnes ballastées au regard des exigences structurelles de l’ouvrage à construire. En effet, même si le traitement par colonnes ballastées permet d’obtenir une réduction du tassement du sol, il ne l’annihile pas pour autant et le tassement résiduel peut demeurer excessif pour l’ouvrage projeté.

Le diagnostic

Quelques rappels

Les colonnes ballastées sont des empreintes verticales élancées que l’on a ménagées dans le sol par diverses techniques et remplies de matériau noble (le « ballast ») calibré et compacté.
Elles permettent de substituer un matériau granulaire frottant à un sol généralement fin, de moindre raideur et compressible, en vue d’obtenir une amélioration mécanique globale de l’ensemble sol + colonnes, notamment en termes de compressibilité.
Les colonnes ballastées sont réalisées selon un réseau prédéterminé, dont la maille dépend de divers paramètres, comme les caractéristiques géomécaniques du sol naturel et l’intensité des charges appliquées. Afin de mieux opérer le transfert de ces charges vers les têtes de colonnes ballastées, il est indispensable d’interposer un matelas de répartition, constitué lui aussi de matériaux nobles granulairesfortement compactés, à la base duquel on place généralement une géomembrane.

Les défauts de conception sont très majoritairement à l’origine des sinistres impliquant des colonnes ballastées

• L’incompatibilité entre colonnes ballastées et sols à traiter est la plus fréquente.

En effet, les colonnes ballastées ont absolument besoin, pour pouvoir fonctionner, de disposer d’une étreinte latérale des sols qui empêche leur expansion latérale sous l’effet des charges appliquées en tête.

Ceci concerne tout particulièrement des sols organiques, dont la tourbe, mais aussi des limons et argiles mous pour lesquels les colonnes ballastées sont à exclure.

• Un défaut de dimensionnement du système de colonnes ballastées.

• Par exemple : au prétexte que le DTU 13.2 « fondations profondes » inclut un chapitre consacré aux colonnes ballastées, on a parfois dimensionné celles-ci comme s’il s’agissait de pieux. Mais les colonnes ballastées ne sont en rien des pieux, dont elles ne possèdent ni la raideur ni la portance et surtout pas la résistance aux sollicitations parasites, inclinées ou horizontales.
Les colonnes ballastées ne peuvent en aucun cas supporter des charges permanentes nettement inclinées sur leur axe longitudinal.
• Autre exemple : la confiance excessive placée dans l’effet de resserrement des sols entre les colonnes. Certains parkings et voies de circulation bâtis sur des sols argileux compressibles, ont été traités par des colonnes ballastées « flottantes », dont on attendait, par effet de resserrement, un comportement global de type « radier souple ».

Or, le resserrement des sols très fins ou argileux est quasi négligeable entre des colonnes ballastées.

• La sous-évaluation des tassements résiduels.

Il s’agit d’une cause technique très fréquente qui, outre une surestimation du comportement des sols naturels, repose aussi sur le recours à des méthodes de calculs trop optimistes.

C’est le cas de la méthode dite du « module équivalent », ou encore de la méthode de Priebe, lesquelles, lorsqu’il existe un contraste important entre les modules du sol naturel et des colonnes et si, également, la maille du réseau est relativement lâche, conduisent à de graves sous-estimations du tassement finalement observé.
• L’inadéquation des tassements résiduels au regard des exigences de l’ouvrage à construire.

Un traitement par colonnes ballastées procure fréquemment un gain d’un facteur 2 à 4 sur l’amplitude des tassements des sols.

Mais, pour des sols fortement compressibles, cela peut conduire à observer des tassements résiduels de l’ordre de la dizaine de centimètres, voire davantage, qui demeureront quand même inacceptables au regard des exigences du comportement de l’ouvrage projeté.

Les bonnes pratiques

• Conduire une étude géotechnique complète de type G2 et faire suivre l’exécution des colonnes ballastées par une mission G4 du géotechnicien.

Le recours à des colonnes ballastées constitue en effet un pari sur le comportement du sol beaucoup plus important qu’au travers d’une solution de type fondations profondes. Il faut donc réduire l’aléa géotechnique.

• Exclure les colonnes ballastées en présence de sols organiques et de sols mous.

Ces types de sols sont incapables de procurer l’étreinte latérale nécessaire au bon fonctionnement des colonnes ballastées.

• Abandonner le calcul des tassements par les méthodes du module équivalent ou de Priebe.

Il convient d’opter au maximum pour les calculs aux éléments finis de type PLAXIS, et de préférence en 3D.

• Limiter les colonnes ballastées au cas des fiches courtes et homogènes.

L’expérience montre que des colonnes d’une hauteur supérieure à 12/15 m sont beaucoup plus sensibles aux déformations. Quant à leur ancrage dans des couches résistantes présentant un poids à forte pente, il est aussi à proscrire en raison du risque de tassements différentiels.

• Exclure les colonnes ballastées qui ne reposent pas, en pointe, dans des couches résistantes.

Le comportement en masse de sols compressibles traités par des colonnes « flottantes » n’est pas maîtrisable.

• Examiner avec la plus grande attention les cas où des différentiels très faibles sont requis par l’ouvrage projeté.

De tels cas sont le plus souvent incompatibles avec le recours à des colonnes ballastées, sauf à ne devoir traiter qu’une épaisseur réduite de sol compressible (jusqu’à 5 m environ) et avec une haute densité de maillage.

À consulter

DTU 13.2 : Fondations profondes.
Recommandations pour le contrôle de la conception et de l’exécution des colonnes ballastées, COPREC 2001.
Colonnes ballastées, Ammar Dhouib et Francis Blondeau, Presses des Ponts et Chaussées 2005.

N°352

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