© CFMS-CFGI-CFMR-CFG, 2023

1 Introduction

Avec l’expansion des réseaux routiers, la construction des routes et des espaces de stationnement sur des sols de faible portance devient fréquente. Les routes non revêtues sont composées d’une couche de base sur laquelle repose une couche de gravier. Ce type de route forme une grande partie du réseau routier en Europe et dans le monde entier.

L’utilisation des géosynthétiques dans le renforcement des plateformes granulaires, reposant sur des sols de faible portance, est une solution utilisée depuis les années 1970. Cette solution s’est avérée efficace. En effet, plus de 50 ans de retour d’expériences dans ce domaine ont montré l’efficacité du renforcement par géosynthétiques à augmenter la capacité portante de ces plateformes et ainsi réduire leur épaisseur.

Dans les premières utilisations des géosynthétiques dans ces applications, des géotextiles fermés ont été placés à l’interface entre la plateforme granulaire et le sol de faible portance, assurant aussi la fonction « séparation ». D’autres géosynthétiques ont ensuite été développés pour favoriser le confinement des matériaux de la plateforme granulaire : les géogrilles qui sont devenues les géosynthétiques les plus couramment utilisés pour cette application ou plus récemment, les géocellules aussi utilisées pour apporter cette fonction de confinement.

Des mécanismes complexes, mis en jeu dans les plateformes, dépendent de plusieurs facteurs comme le type de géosynthétique utilisé, la capacité portante du sol de faible portance, la nature, l’épaisseur et la compacité de la plateforme granulaire, et l’intensité de la charge appliquée.

Dans le cadre du LabCom PITAGOR (Plateforme d’Innovations Technologiques Appliquées aux Géosynthétiques des Ouvrages Renforcés), un protocole expérimental à grande échelle a été développé pour tester les plateformes granulaires renforcées ou non par géosynthétique. Les résultats expérimentaux ont permis d’apporter des éléments de compréhension concernant les mécanismes développés et de comparer l’efficacité de différents produits utilisés.

2 Bibliographie

Le comportement des routes non revêtues, sous un chargement cyclique, est complexe, d’autant plus en présence d’un renforcement géosynthétique. Trois différents mécanismes sont mis en jeu dans la plateforme en présence du renforcement :

• le géotextile permet la séparation entre le sol de faible portance et la plateforme granulaire, ce qui empêche la migration des particules fines dans la plateforme granulaire et la perte des granulats dans le sol de faible portance ;

• le blocage du mouvement latéral des granulats qui assure le confinement de la plateforme granulaire et augmente sa capacité portante. Ce blocage est assuré par le frottement entre les granulats et le géosynthétique et/ou par l’enchevêtrement des particules granulaires dans le géosynthétique dans le cas de l’utilisation d’une géogrille ;

• l’effet membrane qui apporte un support à la plateforme en développant une résultante verticale de tension.

Dans la littérature, plusieurs auteurs ont abordé ce sujet en interprétant la prédominance de ces mécanismes en fonction du type du produit, de sa position dans la plateforme, de la nature des agrégats, ainsi que les conditions du sol de faible portance.

Des essais sous sollicitations ponctuelles cycliques sur plaque proposés par Palmeira et Antunes (2010) ont permis de comparer l’efficacité de plusieurs produits. Les résultats de ces essais ont permis de conclure que, dans les conditions expérimentales évaluées, la géogrille était plus efficace que le géotextile.

Des essais cycliques sur plaque au laboratoire ont été utilisés par Qian et al. (2011, 2013) pour comparer l’effet de la forme des ouvertures des géogrilles sur l’efficacité du renforcement. Dans ces essais, les auteurs ont comparé l’efficacité des produits de même type mais avec des formes d’ouverture différentes (rectangulaire et triangulaire). Ces études ont montré que la forme triangulaire des ouvertures améliorait le mécanisme de confinement de la plateforme. Toujours concernant la forme des ouvertures, Dong et al. (2011) ont démontré numériquement que les ouvertures triangulaires permettaient une meilleure répartition de tension dans les bandes de la géogrille.

D’autres auteurs ont étudié l’influence de la position du produit dans la plateforme granulaire. Perkins (1999), en se basant sur des essais sur site, ont conclu que dans le cas d’une plateforme granulaire épaisse, la position optimale du renforcement était entre 0,25 et 0,35 m sous la surface.

L’effet de la rigidité des bandes des géosynthétiques a été étudié par Brown et al. (2007), Hufenus et al. (2006) et Sun et al. (2015). Ces études ont montré que l’efficacité du produit augmentait avec l’augmentation de la rigidité des bandes.

Giroud et Han (2004) ont introduit dans la méthode de dimensionnement analytique qu’ils ont proposée la notion de l’influence de la rigidité aux nœuds de la géogrille.

Enfin, Christopher et Perkins (2008) présentent les résultats d’un essai à échelle réelle suivant la procédure de l’AASHTO 4E-SR. Dans ces essais, le sol de faible portance est un sol saturé, et les produits testés sont des géogrilles et des géocomposites. Les auteurs ont étudié l’effet de la pression interstitielle sur le comportement de la plateforme et ont conclu que la présence d’un géosynthétique non tissé diminuait la pression interstitielle dans le sol de faible portance.

Cette rapide revue bibliographique montre que malgré un nombre important d’études sur le sujet, toute la complexité des mécanismes mis en jeu et la diversité des produits de renforcement n’ont pas permis, à ce jour, de disposer de recommandations ou de normes de dimensionnement dans ce domaine.

3 Nouvel appareillage d’essais

Dans le cadre du LabCom PITAGOR, une nouvelle étude a été engagée pour identifier les mécanismes mis en jeu et proposer des règles de dimensionnement. Un nouveau dispositif expérimental a été développé pour tester les plateformes routières non revêtues renforcées ou non. Un soin particulier a été apporté pour définir un protocole expérimental permettant de disposer d’un même état initial du sol à chaque essai. Pour tester l’effet du type de sollicitation sur le comportement de la plateforme, celle-ci a été soumise à un chargement ponctuel cyclique à l’une de ces extrémités et à un chargement de circulation à l’autre (Fig. 1) La sollicitation sous chargement de circulation est appliquée en utilisant le SAT. Il a été spécifiquement conçu pour appliquer une charge de circulation lourde sur une plateforme de 2 m de long pouvant être soumise à un fort orniérage.

La plateforme testée est soumise à deux types de sollicitation :

–Charge ponctuelle cyclique sur plaque :

Cette charge est appliquée sur une plaque qui a la même forme que l’empreinte laissée par la roue du SAT sur le sol. La charge cyclique appliquée est de 0,77 Hz avec une amplitude maximale de 28 kN, ce qui correspond à une contrainte maximale de 650 kPa en surface.

–Charge de circulation appliquée par le SAT (Fig. 2) :

Le SAT a été conçu spécialement dans le cadre de ce projet pour appliquer une charge de circulation sur une plateforme routière flexible. La charge est appliquée sur la plateforme granulaire par l’intermédiaire d’une roue et sous le poids propre de la machine. La roue est guidée par un système de chaînes accrochées à un parallélogramme déformable qui permet l’application de la charge même après une déformation importante en surface. La circulation est bidirectionnelle et sous une vitesse de 4 km/h. La charge est appliquée sur une longueur nette de 2 m sans les zones d’accélération et de décélération. La charge appliquée est de 28 kN donnant une contrainte de 650 kPa (Tab. 1).

Fig. 1 Essai de chargement cyclique à la plaque. Cyclic plate load test.

Fig. 2 Simulateur Accélérateur de Trafic (SAT). Similator Accelerator of Traffic (SAT).

4 Protocole expérimental

Le protocole expérimental développé dans le cadre de cette étude consiste à préparer au laboratoire une plateforme granulaire renforcée ou non par géosynthétique dans un banc d’essais de 5 m de long, 1,8 m de large et 1 m de hauteur. La configuration à tester est constituée d’une plateforme granulaire de 0,22 m d’épaisseur surmontant une couche de 0,6 m de sol de faible portance. Une attention particulière a été apportée à la préparation des sols afin d’obtenir un état initial reproductible. Le protocole mis au point a été validé au préalable avec des essais de chargement cyclique à la plaque dans un banc d’essai de moindre dimensions (1,8 m de large, 1,8 m de long et 1 m de hauteur). Ces essais ont permis de valider la composition et la méthode de mise en place du sol de faible portance, l’instrumentation, l’épaisseur de la plateforme granulaire, et la répétabilité de ces essais (Khoueiry et al., 2021).

Dans le banc d’essais de grandes dimensions (5 m de long), la plateforme est soumise sur une zone centrale de 2 m de long à une sollicitation cyclique de circulation de charge lourde simulée par le SAT et sur une zone de 2 m de long à une sollicitation cyclique verticale sur plaque. La même plateforme a été soumise à ces deux sollicitations pour pouvoir comparer l’effet de la nature de la sollicitation sur les résultats.

4.1 Matériaux

4.1.1 Sol de faible portance

Le sol de faible portance a été simulé par un mélange d’argile kaolinite et de sable d’Hostun. Ce sol a été spécialement développé pour correspondre aux critères de la norme (FHWA, 2008) qui définit une portance avec un indice CBR inférieur à 3 %.

Pour trouver la bonne argile et les bonnes proportions du mélange, plusieurs mélanges ont été testés. Le mélange retenu est constitué de 20 % de kaolinite et 80 % de sable.

Plusieurs essais Proctor et CBR ont été réalisés pour déterminer qu’une teneur en eau de 11,5 % permettait d’obtenir un CBR de 2 %.

4.1.2 Matériau granulaire

La grave utilisée dans ces essais est une grave non traitée GNT 0/31,5. Les essais Proctor et CBR ont montré que la teneur en eau à l’optimum Proctor était de 4 % à laquelle est associée un indice CBR compris entre 10 et 16.

4.1.3 Les géosynthétiques

À l’interface entre le sol de faible portance et la plateforme granulaire, un géotextile fin a été placé pour assurer la séparation et faciliter le démontage de l’essai sans risque de pollution du matériau granulaire.

La géogrille a été installée sur ce géotextile de séparation. Deux types de géogrille ont été testés dans cette campagne d’essais (Fig. 3) :

• GSY 2, une géogrille tricotée en PVA (alcool de polyvinyle) caractérisée par une rigidité bidirectionnelle élevée de 2500 kN/m, une ouverture carrée de 40 mm de section et une résistance maximale à la traction de 200 kN/m. Ce type de géogrille ne présente pas une rigidité aux nœuds, par contre la rigidité de ces bandes à la traction est importante ;

• GSY 3, une géogrille extrudée en PP (polypropylène) caractérisée par une stabilité des nœuds de 6,1  kg-cm/° . La rigidité des bandes est exprimée en rigidité radiale de 360 kN/m. Les ouvertures ont une forme triangulaire de 40 mm de côté.

Fig. 3 Illustration des géosynthétiques utilisés. The used geosynthetics illustration.

4.2 Protocole de préparation des sols

Pour comparer les résultats des différents essais, il a été nécessaire d’établir une procédure de mise en œuvre des différentes couches de sol garantissant le même état initial avant chaque essai. Pour ce faire, plusieurs protocoles de mise en place des différentes couches de sol et une procédure de compactage ont été évalués.

Pour choisir le protocole adapté, des essais de contrôle in situ ont été effectués pour mesurer les propriétés mécaniques des sols mis en place et leur homogénéité :

• profils verticaux de la teneur en eau ;

• essais scissomètriques à différentes profondeurs ;

• essais pénétromètriques statiques, dont les résultats sont corrélés au CBR ;

• essais pénétromètriques dynamiques, dont les résultats sont corrélés au CBR (Fig. 4).

Les résultats de ces essais ont montré que, avec le protocole choisi, le même état initial de la plateforme granulaire et du sol sous-jacent était obtenu avant chaque essai. Ce protocole a été validé par une série d’essais de répétabilité sous le chargement cyclique sur plaque (Khoueiry, 2020).

Fig. 4 Résultats du pénétromètre dynamique après corrélation avec l’indice CBR. Results of the dynamic penetrometer tests correlated to the CBR.

5 Instrumentation

Une instrumentation a été mise en place pour collecter les mesures permettant la compréhension du comportement de la plateforme et du renforcement géosynthétique (Fig. 5 et 6).

Des capteurs de contrainte totale sont disposés à la surface du sol de faible portance et à trois différentes profondeurs. En surface, les capteurs de contrainte totale sont installés d’une façon à mesurer la distribution de la contrainte sous l’application de la charge. Des inclinomètres sont placés sur ces capteurs de contrainte totale pour mesurer leur inclinaison avec les cycles ; il est en effet important de vérifier l’horizontalité des capteurs de contrainte totale pour juger de la pertinence de la mesure.

Des capteurs de tassement hydraulique ont également été répartis à la surface du sol de faible portance pour mesurer le tassement sous la plateforme granulaire. En surface de la plateforme granulaire, un capteur de déplacement laser est utilisé pour évaluer le tassement en surface.

Enfin, la déformation de la nappe géosynthétique a été mesurée par une fibre optique utilisant la technologie de la réflectométrie Rayleigh OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) permettant une résolution spatiale millimétrique. La fibre optique est placée dans le sens perpendiculaire au sens de circulation et reliée localement au géosynthétique par l’intermédiaire de bandes adhésives spécifiques.

Fig. 5 Plan d’instrumentation. Instrumentation plan.

Fig. 6 Coupe AA’ instrumentation. Instrumentation section.

6 Résultats

Les résultats de trois plateformes soumises aux deux types de sollicitations sont présentés dans le tableau 2.

La figure 7a présente l’évolution du tassement en surface de la plateforme granulaire avec les cycles (10 000 cycles) sous le chargement ponctuel appliqué par la plaque. Ce graphique montre l’efficacité des deux produits utilisés. En effet, ces deux produits ont réduit le tassement en surface d’environ 30 %.

La figure 7b montre l’évolution du tassement en surface de la plateforme granulaire sous le chargement de circulation. Ce graphique montre que le chargement de circulation est plus endommageant pour la plateforme que le chargement ponctuel. En effet, sous ce chargement le nombre maximal de circulation effectué est seulement de 1200 cycles. Sous ce chargement, le tassement en surface a évolué très rapidement et la limite du SAT en tassement a été atteinte. Pour atteindre 1200 cycles, l’orniérage en surface a été deux fois remblayé (à 150 et à 500 cycles). Le remblaiement a été réalisé à la main et sans compactage. Cette intervention a été traduite sur les courbes par une augmentation importante du tassement en surface après chaque remblaiement, causée essentiellement par le compactage des matériaux de remplissage de l’orniérage.

Le tassement excessif observé en surface sous le chargement de circulation est lié au refoulement des agrégats en surface. Pour mieux interpréter ces résultats, nous présentons dans la figure 8, l’évolution du tassement en surface du sol de faible portance.

Les figures 8a et 8b montrent que la sollicitation de circulation est aussi plus critique pour le tassement du sol de faible portance. Cette observation du tassement au niveau du sol de faible portance permet de ne pas prendre en compte les conditions de l’apparition de l’orniérage en surface accentuée par des mouvements de particules granulaires dans le cas de l’application de la sollicitation de circulation. En observant le tassement sous la plateforme granulaire, on conclut que sous la sollicitation de circulation les deux types de renforcement réduisent le développement de tassement sur la surface du sol de faible portance d’environ 40 %.

Des fibres optiques ont été introduites dans le renforcement pour suivre sa déformation lors de la mise en place (Fig. 9) et durant le chargement (Fig. 10). La déformation mesurée dans le cas du géosynthétique GSY 2 correspond à la déformation du brin continue et perpendiculaire au sens de circulation. Alors que la déformation mesurée dans le cas du GSY 3, dont les brins ne sont pas continus dans une direction, est la déformation moyenne dans le sens perpendiculaire au sens de circulation.

Les mesures de déformation lors de la mise en place montrent que la géogrille tricotée (GSY 2) est moins sollicitée que la géogrille extrudée (GSY 3) (Fig. 9a et 9b). En effet, le GSY 2 présente une déformation moyenne sur la partie centrale de 2200 μɛ alors que le GSY 3 présente une déformation moyenne de 3500 μɛ. Ceci est probablement lié à la géométrie et la structure des deux types de renforcement. En effet, la rigidité des nœuds du GSY 3 contribue au fait qu’il est plus sollicité lors de la mise en place et le compactage du gravier.

La figure 10 illustre la déformation des géogrilles sous le premier chargement et après le premier déchargement sous les deux différents types de sollicitation. En comparant les déformations, on peut voir que sous les deux types de chargement le GSY 3 est plus sollicité sous le premier chargement que le GSY 2 ; il présente une déformation maximale de 13 000 μɛ contre 7000 μɛ pour le GSY 2. Ceci est probablement dû à la forme géométrie et à la construction de ce produit, qui favorise l’enchevêtrement des agrégats entre les ouvertures de la géogrille et entraîne le phénomène de confinement de la plateforme granulaire dès les premiers chargements. Ce phénomène n’est pas observé avec la géogrille GSY 2 à cause de la flexibilité de ces nœuds.

On observe aussi une forte déformation résiduelle à la suite du déchargement plus importante pour le GSY 3 mettant en évidence la mise en tension du produit par enchevêtrement des particules granulaire dans les mailles du géosynthétiques.

Pour mieux interpréter ces résultats, la figure 11 présente la déformation des géosynthétiques en fonction du tassement en surface sous la sollicitation cyclique sur plaque. On remarque que pour le même tassement en surface, le GSY 3 se déforme plus que le GSY 2. Ceci se justifie par le mode de mise en tension des GSY : la géogrille extrudée (GSY 3) est sollicitée localement par enchevêtrement des particules granulaires et bloque le déplacement latéral des agrégats, alors que la géogrille tricotée (GSY 2) est sollicitée plutôt par effet membrane.

La figure 11 montre aussi que la déformation du GSY 2 atteint un palier alors que celle du GSY 3 augmente avec le tassement en surface. Les mécanismes de mise en tension des deux produits sont très différents.

Fig. 7 Évolution du tassement en surface de la plateforme granulaire (a) sous le chargement sur plaque (Point A1) et (b) sous le chargement de circulation (Point A2). Settlement evolution at the granular platform surface (a) under the plate load (Point A1) and (b) under the traffic load (Point A2).

Fig. 8 Évolution du tassement en surface du sol de faible portance (a) sous le chargement sur plaque (Point A1) et (b) sous le chargement de circulation (Point A2). Settlement evolution at the soft subgrade surface (a) under the plate load (Point A1) and (b) under the traffic load (Point A2).

Fig. 9 Déformation de la géogrille lors de la mise en place : (a) GSY 2 ; (b) GSY 3. Developed strain in the geogrid: (a) GSY 2; (b) GSY 3.

Fig. 10 Déformation de la géogrille sous le premier chargement : (a) GSY 2 sous le chargement sur plaque ; (b) GSY 2 sous le chargement de circulation ; (c) GSY 3 sous le chargement sur plaque ; (b) GSY 3 sous le chargement de circulation. The geogrid developed strain under the first load: (a) GSY 2 under the plate load; (b) GSY 2 under the traffic load; (c) GSY 2 under the plate load; (d) GSY 2 under the traffic load.

Fig. 11 Variation de la déformation maximale des géosynthétiques en fonction de l’évolution du tassement en surface de la plateforme granulaire sous la sollicitation cyclique sur plaque. The maximum geogrid strain variation with the soft subgrade surface settlement evolution under the plate load test.

7 Conclusions

Ce travail de recherche a permis le développement d’un protocole expérimental efficace pour tester le comportement du renforcement par géosynthétique des plateformes granulaires sur sol peu porteur. Des moyens spécifiques ont été développés, notamment un Simulateur Accélérateur de Trafic permettant d’appliquer une charge de circulation sur une plateforme rigide ou flexible, au laboratoire ou in situ.

Les résultats de ces essais à grande échelle présentés dans cet article ont permis de comparer l’efficacité des produits testés et de montrer les différents mécanismes développés à l’interface du renforcement en fonction du type de celui-ci. La comparaison des résultats des essais de chargement ponctuel sur plaque et des essais de circulation montrent que le chargement cyclique de circulation est plus endommageant que le chargement cyclique sur plaque et surtout pour la déformation de la plateforme granulaire. Il faut noter que cette conclusion reste limitée aux conditions de compactage de la plateforme granulaire au laboratoire et que ceci peut changer sous les conditions de compactage sur site.

D’autre part, les deux types de géogrilles utilisés dans ces essais montrent la même efficacité dans la réduction du tassement (30 % chargement sur plaque et 40 % chargement de circulation) mais pour des modes de mise en tension différentes. Les résultats montrent que la géogrille extrudée se déforme plus lors de la mise en place du gravier et sous le premier chargement, et ceci est probablement lié à sa géométrie spéciale et à la rigidité de ces nœuds qui favorisent le confinement des agrégats.

Des essais complémentaires seront réalisés pour des sols plus compressibles et d’autres nappes géosynthétiques.

Références

Liste des tableaux

Liste des figures

	Fig. 1 Essai de chargement cyclique à la plaque. Cyclic plate load test.
Dans le texte

	Fig. 2 Simulateur Accélérateur de Trafic (SAT). Similator Accelerator of Traffic (SAT).
Dans le texte

	Fig. 3 Illustration des géosynthétiques utilisés. The used geosynthetics illustration.
Dans le texte

	Fig. 4 Résultats du pénétromètre dynamique après corrélation avec l’indice CBR. Results of the dynamic penetrometer tests correlated to the CBR.
Dans le texte

	Fig. 5 Plan d’instrumentation. Instrumentation plan.
Dans le texte

	Fig. 6 Coupe AA’ instrumentation. Instrumentation section.
Dans le texte

	Fig. 7 Évolution du tassement en surface de la plateforme granulaire (a) sous le chargement sur plaque (Point A1) et (b) sous le chargement de circulation (Point A2). Settlement evolution at the granular platform surface (a) under the plate load (Point A1) and (b) under the traffic load (Point A2).
Dans le texte

	Fig. 8 Évolution du tassement en surface du sol de faible portance (a) sous le chargement sur plaque (Point A1) et (b) sous le chargement de circulation (Point A2). Settlement evolution at the soft subgrade surface (a) under the plate load (Point A1) and (b) under the traffic load (Point A2).
Dans le texte

	Fig. 9 Déformation de la géogrille lors de la mise en place : (a) GSY 2 ; (b) GSY 3. Developed strain in the geogrid: (a) GSY 2; (b) GSY 3.
Dans le texte

Fig. 10 Déformation de la géogrille sous le premier chargement : (a) GSY 2 sous le chargement sur plaque ; (b) GSY 2 sous le chargement de circulation ; (c) GSY 3 sous le chargement sur plaque ; (b) GSY 3 sous le chargement de circulation. The geogrid developed strain under the first load: (a) GSY 2 under the plate load; (b) GSY 2 under the traffic load; (c) GSY 2 under the plate load; (d) GSY 2 under the traffic load.

Dans le texte

	Fig. 11 Variation de la déformation maximale des géosynthétiques en fonction de l’évolution du tassement en surface de la plateforme granulaire sous la sollicitation cyclique sur plaque. The maximum geogrid strain variation with the soft subgrade surface settlement evolution under the plate load test.
Dans le texte