Les sols gonflants : caractéristiques, causes et solutions en génie civil


Introduction

Les sols gonflants sont des sols qui ont la propriété de se dilater lorsqu’ils sont exposés à l’eau. Ce phénomène peut avoir des conséquences importantes en génie civil, car il peut causer des dommages aux bâtiments et aux infrastructures. Les sols gonflants peuvent en effet entraîner des fissures dans les fondations des bâtiments, des affaissements dans les chaussées et les ponts, ou encore des déformations dans les structures.

C’est pourquoi il est important de comprendre les caractéristiques des sols gonflants et les facteurs qui peuvent favoriser leur formation. Dans cet article, nous allons présenter les différentes composantes des sols gonflants, les mécanismes qui entraînent leur gonflement, ainsi que les facteurs climatiques, géologiques et liés à la construction qui peuvent influencer leur capacité à gonfler.

L’objectif de cet article est donc de fournir une compréhension approfondie des sols gonflants en génie civil, afin d’aider les ingénieurs et les professionnels du bâtiment à prendre les mesures nécessaires pour minimiser les risques de dommages.

Caractéristiques des sols gonflants

Le principal composant des sols gonflants est l’argile, qui est un matériau très fin et très poreux. Lorsque l’argile est exposée à l’eau, elle absorbe l’eau par capillarité, c’est-à-dire que l’eau remonte dans les pores de l’argile à cause de la tension superficielle. Cette absorption d’eau provoque une augmentation de volume de l’argile, qui se dilate et peut ainsi causer des dommages aux structures environnantes.

Les sols gonflants sont identifiés par des paramètres qui s’insèrent dans les fourchettes suivantes :
– Le pourcentage des grains de diamètres inférieurs à 0.008 mm est de 80% à 100%
– Indice de plasticité ?? : 30% à 50%
– Coefficient de gonflement ?? ≥ ?. ??
– Pression de gonflement ??′ > 1 ???
L’essai œdométrique permet aussi d’étudier les sols gonflants. Lors du chargement, le volume d’échantillon reste inchangé jusque à une pression de chargement au-delà de laquelle l’échantillon diminue de volume.

Lors du déchargement l’échantillon se décomprime pour atteindre le volume initial, ensuite il commence à gonfler (augmentation de l’indice des vides)

La courbe de compressibilité des sols gonflants a l’allure particulière suivante :

COURBE DE COMPRESSIBILITE DES SOLS GONFLANTS ET RETRACTABLES

On en ressort deux paramètres essentiels de gonflement :
– ?? : la pression de gonflement qui est la pression en deçà de laquelle le sol gonfle (augmentation de l’indice des vides) lorsqu’on le met en présence d’eau
– Cg : le coefficient du gonflement qui est la pente de la courbe de déchargement (à ne pas confondre avec l’indice de gonflement Cs)

Pour quantifier le potentiel de gonflement, la littérature fournit plusieurs approches, nous en présentons les plus connues :
– A partir de l’indice de plasticité et du pourcentage des particules de sol dont le diamètre <2µm :

– A partir de la limite de liquidité, du pourcentage des particules de sol dont le diamètre <74µm et de pression de gonflement
– A partir de l’activité de l’argile et du pourcentage des particules argileuses

Effets des sols gonflants sur les bâtiments et les infrastructure

Les problèmes des sols gonflants se manifestent par deux problèmes majeurs : le soulèvement des fondations et l’affaissement localisé de certaines parties du terrain. Cette situation engendre une répartition non uniforme des contraintes entre le sol et la semelle des fondations. Ces contraintes peuvent entraîner des déformations supplémentaires des fondations qui, à leur tour, peuvent se transmettre sous forme de moments et d’efforts tranchants supplémentaires dans les structures porteuses du bâtiment ou de l’ouvrage. Les pathologies qui peuvent survenir sont les suivantes :

  • fissuration des murs, des planchers et des plafonds
  • fissuration jusqu’à la rupture des poutres, des poteaux et des nœuds de la structure, où des concentrations de contraintes existent toujours
  • déformation des fenêtres et des portes
  • rupture des canalisations.


Les fondations des bâtiments sont particulièrement vulnérables aux sols gonflants. Lorsque le sol se dilate, il peut exercer une pression importante sur les fondations, ce qui peut entraîner des fissures ou des déformations dans les murs et les planchers. Les sols gonflants peuvent également provoquer des mouvements différentiels du sol, c’est-à-dire des mouvements inégaux entre les différentes parties de la fondation. Ces mouvements différentiels peuvent entraîner des déformations importantes dans les bâtiments, qui peuvent être très coûteuses à réparer.

Il est donc essentiel de prendre en compte les effets des sols gonflants sur les bâtiments et les infrastructures lors de la conception et de la construction de ces structures. Des méthodes de prévention et de réparation des dommages peuvent être utilisées pour minimiser les risques associés aux sols gonflants.

Techniques de prévention et de réduction des dommages causés par les sols gonflants

La première technique consiste à éviter les sols gonflants lors de la planification et de la conception de projets de construction. Les cartes géologiques et les études de sol peuvent être utilisées pour identifier les zones à risque de sols gonflants et pour les éviter en choisissant des sites de construction plus adaptés.

Une autre technique consiste à améliorer les caractéristiques des sols gonflants en utilisant des méthodes de stabilisation des sols. Ces méthodes peuvent inclure l’ajout de matériaux granulaires, tels que le sable, pour améliorer la perméabilité du sol et réduire son potentiel de gonflement. Des agents chimiques peuvent également être ajoutés au sol pour améliorer sa résistance et sa stabilité.

Les techniques de fondation peuvent également être utilisées pour minimiser les dommages causés par les sols gonflants. Les fondations profondes, telles que les pieux ou les semelles filantes, peuvent être utilisées pour atteindre des couches de sol plus stables et réduire les effets des mouvements différentiels du sol. Les fondations souples, telles que les fondations sur radier, peuvent également être utilisées pour absorber les mouvements du sol et minimiser les dommages aux structures environnantes.

Le tableau suivant classifie les sites selon les dommages causés à la construction :

ClassementSoulèvement
total du sol
Etat de fissuration et dommageDegré de
dommages
Très bon
site
0 à 0.5 cmFissures d’ouverture jusqu’à 1 à 2 mm en nombre
modéré qui peuvent être traitées facilement. Ces fissures
sont rarement visibles à l’extérieur
Négligeable
à très faible
Bon site0.5 à 1.5 cmFissures d’ouverture 3 à 6 mm en nombre modéré :
Fissures d’ouverture 0 à 2 mm en plus grand nombre.
Quelques fissures devront être rejointoyées à l’extérieur
pour assurer l’imperméabilisation. Portes et fenêtres
peuvent se coincer légèrement
Faible
Site moyen1.5 à 5 cmFissures d’ouverture 5 à 15 mm en faible nombre
(jusqu’à 5) et les autres en beaucoup plus grand
nombre, surtout celles d’ouverture 0 à 2 mm. Rejointoyer
les fissures à l’extérieur s’avère nécessaire. Portes et
fenêtres restent coincées. Les canalisations peuvent se
rompre. L’imperméabilisation est délimitée.
Moyen
Mauvais
site
5 à 10 cmDes fissures d’ouverture 15 à 25 mm apparaissent ; les
autres sont en plus grand nombre. Fenêtres et portes
sont déformées. Les planchers penchent sensiblement.
Les murs tombent ou bougent sensiblement. Les poutres
perdent de la portance. Les canalisations se rompent.
Fort
Très
mauvais
site

> 10 cm

Les dommages sont tels avec des fissures d’ouvertures
supérieures à 25 mm) que la maison devient quasiment
inhabitable, nécessitant de nombreuses réparations ou
bien même une reconstruction.
Les poutres perdent leur portance. Les murs penchent
beaucoup. Les fenêtres sont très déformées ou même
rompues. Il y a danger d’instabilité

Très fort

Dans ce qui suit nous présentons les techniques de fondation pour passer d’un site à un autre :

Passage d’un très mauvais site à un site moyen
o Semelles superficielles sur remblais :

o Radier superficiel sur remblais

Pour passer à un bon site, la hauteur du remblai doit être 2 m et il faut disposer un joint glissant entre le
radier et le dallage.

– Passage d’un très mauvais site à un très bon site :
Semelle semi-superficielle rigidifiée (poutre-échelle). On désigne par la poutre-échelle des semelles filantes entrecroisées « fortement » ferraillées et solidaires d’un chainage supérieur par l’intermédiaire des potelets.
On remblaye entre le sol et la semelle par un matériau inerte à l’eau afin d’éviter le frottement latéral de gonflement.

– Passage d’un très mauvais site à un bon site :

Mesures architecturales :

o Il est préférable dans la conception architecturale d’implanter tous les sanitaires à la périphérie du bâtiment
o Il est souhaitable de placer les plantations décoratives dans des bassins spéciaux et étanches pour pouvoir les arroser sans humidifier le sol gonflant à l’entour
o Faire éloigner la végétation du bâtiment : un arbre doit être distant d’au moins sa hauteur à maturité par rapport à l’emprise du bâtiment

Mesures contre l’aggravation du problème par la variation de la teneur en eau au droit des fondations :

o Faire une protection périphérique du bâtiment par un trottoir imperméable à l’eau

o Eviter les fuites de canalisation sous le bâtiment :
Les canalisations doivent être étanches, bien exécutées et placées dans des fourreaux
les canaux spéciaux doivent être contrôlés en permanence.
En cas de besoin, il faut prévoir des moyens d’évacuation d’eau de secours.
Les eaux de toiture seront collectées dans des conduites étanches et évacuées loin du bâtiment

les mesures structurales :

En ce qui concerne les mesures structurales, le choix et l’ancrage des bâtiments sont cruciaux :

  • Pour les sols à fort potentiel de gonflement, il est recommandé d’éviter les semelles isolées et de privilégier l’utilisation de semelles filantes ou de radiers.
  • Pour les sols très gonflants, il est conseillé de traverser les couches superficielles de sol gonflant afin d’appuyer les fondations sur les couches plus profondes de sols à structure stable (par exemple, les fondations sur puits ou sur pieux).
  • Il convient également d’adopter une profondeur d’ancrage suffisante en fonction du potentiel de gonflement et de l’ouvrage à construire. Les fondations doivent être ancrées de manière homogène sur tout le pourtour du bâtiment. Dans le cas des terrains en pente, l’ancrage aval doit être au moins égal à l’ancrage amont. Il est particulièrement important d’éviter les sous-sols partiels, qui peuvent entraîner des hétérogénéités d’ancrage.

Construction sur un vide sanitaire :
au lieu de poser le dallage directement sur le sol, il est recommandé d’isoler la structure du sol en prévoyant un vide sanitaire :


En résumé, les techniques de prévention et de réduction des dommages causés par les sols gonflants comprennent l’évitement des zones à risque, l’amélioration des caractéristiques des sols, l’utilisation de techniques de fondation adaptées et des techniques de réparation en cas de dommages. Il est important de sélectionner la technique la plus appropriée en fonction des conditions locales et des besoins spécifiques de chaque projet de construction.

Études de cas et exemples de solutions appliquées

Les études de cas suivantes illustrent quelques exemples de projets réussis dans lesquels des solutions ont été appliquées pour traiter les sols gonflants.

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