Structure de soutènement périphérique exécutée à l'abri de la technique de Cutter Soil Mixing pour le bâtiment “Hôtel Montaigne” à Cannes — France

Introduction

Cet article se réfère à une structure de soutènement de sols exécuté pour permettre l'excavation prévue pour réaliser l'ouvrage d'ampliation du bâtiment “Hôtel Montaigne”, localisé dans la ville de Cannes, en France. L'hôtel existant a été rénové et élargi, de façon à gagner un étage additionnel, en hauteur, et un nouveau bâtiment avec sept étages surélevés et trois d'autres enterrés (Figure 1). La structure de soutènement présenté a été conçue de façon à permettre l'excavation nécessaire à l'exécution des niveaux enterrés du nouveau bâtiment de l'hôtel.

Dans le scénario décrit, on a voulu concevoir une solution de soutènement qui donnait la préférence à la minimisation d'interférences et de perturbations dans les alentours de l'ouvrage, et qui puisse aussi garantir son fonctionnement en conditions de sécurité, pendant et après l'exécution des travaux et aussi de permettre, en simultanéité, de limiter l'afflux d'eau dans l'enceinte. La solution adoptée a consisté d'une paroi continue en panneaux de sol-ciment exécuté par la technologie de Cutter Soil Mixing (CSM), armés verticalement avec des profilés en acier laminé et associée à 2 niveaux de butonnage horizontal métallique.

Figure 1 – Encadrement de l'ouvrage (vue de la rue Montaigne)

L'endroit de l'excavation, d'une géométrie trapézoïdal, présenté une surface en plan d'environ 300 m² et se trouve délimité pour des routes et des bâtiments (Figure 2).

Le principal défi rencontré dans ce projet a consisté dans l'exécution d'une excavation avec une profondeur moyenne de 9 m, dans une zone densément construite et dans la présence de terrains avec des caractéristiques mécaniques très variables présentant, dans sa généralité, des valeurs réduites de résistance et de grande déformabilité jusqu'aux profondeurs au-dessous du fond de l'excavation, en présence de la nappe phréatique près de la surface.

Figure 2 – Vue aérienne de l'emplacement de l'Hôtel

La technologie CSM dérive de la technique de Deep Soil Mixing et consiste dans le mélange mécanique du sol in situ avec du ciment, formant des panneaux de géométrie transversale rectangulaire (Fiorotto et al., 2005). L'application de cette technologie n'oblige pas à l'enlèvement du sol in situ pendant l'exécution des panneaux, n'ayant pas alors décompression du terrain pendant l'exécution de la structure de soutènement, ce qui permet de minimiser les interférences avec le voisinage. La structure de soutènement constituée par des panneaux de CSM verticalement armés a été conçu avec l'objective de satisfaire simultanément les suivantes fonctions principales dans l'ouvrage en étude:

• soutènement du terrain de façon à permettre réaliser l'excavation en vertical avec le minimum de perturbations dans le voisinage;
• fondation et ancrage des éléments structurels intérieurs;
• limitation de l'afflux d'eau dans l'enceinte d'excavation.

Contraintes Principales

Géologie et Géotechnique

La caractérisation des terrains existants dans le local de l'ouvrage a été réalisée ayant comme base 2 études géotechniques, élaborées en phases différentes.

Dans une phase initiale, où l'accès au terrain était limité, il y a été réalisé une étude géotechnique qui a impliqué l'installation d'un piézomètre pour faire la lecture du niveau phréatique, l'exécution d'un essai de forage destructif et d'un essai pressiomètre (PMT – Pressiometer Ménard Test). Pendant la réalisation de l'essai de forage destructif on a effectué l'enregistrement en continue des paramètres de forage, comme la vélocité de l'avancement et la pression du fluide d'injection, dont les variations ont permis de conclure à propos de l'état de compacité des matériaux à différentes profondeurs, permettant détecter les zones de vides ou de décompression du terrain.

Dans une deuxième phase, on a réalisé une étude géotechnique complémentaire qui a inclus l'installation d'un piézomètre, l'exécution de 2 essais PMT et le récolement de carottes intactes pour la réalisation d'essais de laboratoire. Les essais de laboratoire ont eu comme but l'identification du type de sol et de ses caractéristiques mécaniques, notamment la réalisation des essais triaxiaux.

Les résultats obtenus dans les campagnes de prospections réalisées sur site ont mis en évidence la présence de 3 couches distinctes (Figure 3):

• Remblais hétérogènes de nature argileuse et limoneux détectés depuis la surface jusqu'à une profondeur de 5 m (Zone géotechnique 1 – ZG1);
• Argiles sableuses détectées jusqu'à des profondeurs de 12 m, sous-jacentes aux déchets hétérogènes (Zone géotechnique 2 – ZG2);
• Substrat en roche (grès) avec des niveaux altérés moins compacts, sous-jacentes à la couche antérieure (Zone géotechnique 3 – ZG3).

Relativement au niveau phréatique, son occurrence a été détectée à environ 3.5 m de profondeur.

Figure 3 – Principaux paramètres géomécaniques et coupe-type de l'excavation

Contraintes de voisinage

Le lieu d'excavation est localisé dans une zone urbaine, ce qui a fait qu'une des principales préoccupations, pendant la conception de la solution et de l'exécution des travaux, a été la garantie du bon fonctionnement, en conditions de sécurité, des bâtiments et rues localisés dans les proximités de l'ouvrage. L'ouvrage est directement confiné par:

• au nord: rue Montaigne;
• au sud: bâtiment avec 2 étages élevés;
• à l'ouest: bâtiment existant de l'hôtel (sept étages surélevés et trois enterrés);
• à l'est: petit bâtiment à démolir avant le début des travaux d'excavation et qui donnera place, dans le futur, à un nouveau bâtiment.

Dans la période de l'installation de l'équipement de CSM en œuvre, les travaux de démolition du bâtiment voisin, à l'est de l'ouvrage, n'étaient pas encore réalisés, ce qui a difficulté les opérations d'installation de l'équipement. (Figure 4).

Figure 4 – Installation de l'équipement

Contraintes d'ordre sismique

L'ouvrage en étude est localisé dans la ville de Cannes, en France, classifié en relation à l'intensité et risque sismique, conformément aux normes en vigueur. Selon le “décret n° 2010-1255” de 22 octobre 2010, dans le territoire français il y a 5 zones distinctes d'intensité sismique, comme on peut observer dans la Figure 5: très bas (1), bas (2), modérée (3), moyenne (4) et forte (5).

Figure 5 – Zones d'intensité sismique du territoire français (“décret n° 2010-1255” du 22 octobre 2010)

La ville de Cannes est localisée dans une zone de sismicité modérée. Selon le même document ils sont définis 4 catégories d'importance pour les bâtiments, par ordre croissant d'importance: Catégorie I, II, III e IV. Le bâtiment à construire s'insère dans la catégorie d'importance II (bâtiment d'habitation collectif de hauteur jusqu'aux 28 m).

Description de la Solution Adoptée

Ayant comme base les contraintes existantes, on a opté par concevoir une solution de soutènement périphérique constituée par un rideau continu de panneaux CSM, bloquée provisoirement avec 2 niveaux de butonnage métallique provisoire.

La structure de soutènement a été exécuté séquentiellement par des panneaux de sol-ciment primaires et secondaires, de géométrie transversale rectangulaire de dimensions 2.40 m x 0.55 m et avec un chevauchement minimum de 0.20 m entre panneaux adjacents de façon à garantir une liaison efficace au long de toute la hauteur de l'excavation.

La limitation de l'afflux de l'eau à l'intérieur de l'excavation a été une préoccupation dans la conception du Projet, ayant alors été défini une profondeur minimum d'encastrement de 3 m dans le substrat en roche (ZG3). Ainsi, les panneaux de CSM ont été exécutes avec une profondeur moyenne de 15 m.

Pour accueillir la totalité des impulsions criées par le terrain et par des charges d'utilisation des surfaces localisées à l'arrière de la structure de soutènement, impulse hydrostatique et les charges verticales transmises en phase définitive, les panneaux CSM ont été armée avec des profilés du type IPE 450 (en acier S275 JR) écartés de 1.10 m (2 profilé/panneaux). La collocation des profilés dans l'intérieur des panneaux CSM résulte dans la protection de ces éléments aux éventuels phénomènes de flambement causé par le confinement existant, permettant aussi de minimiser des phénomènes de corrosion due à l'agressivité du terrain avoisinant.

Il a été réalisé aussi, à partir du fond de fouille, un mur de revêtement en béton armé avec 0.15 m d'épaisseur, lié aux profilés de la structure de soutènement par des profilés horizontaux métalliques HEA.

La structure de soutènement a été conçue pour, en ensemble avec les micropieux de fondation exécutés au-dessous de la dalle de fond, recevoir les efforts verticaux transmis par la structure définitive. La figure 6 représente l'implantation de la structure de soutènement et les butons métalliques.

Figure 6 - Implantation de la structure de soutènement et les butons métalliques

La procédure d'exécution d'un panneau de CSM comporte essentiellement 2 phases:

• Phase de coupe: l'outil de coupe est conduit verticalement à la profondeur définie dans les études, découpant le terrain avec les roues dentées tranchantes, en additionnant simultanément un liant hydraulique (généralement coulis de ciment);
• Phase d'extraction et de mélange: réalisation du mélange du sol in situ avec le restant volume de liant hydraulique en procédant à l'homogénéisation de ce mélange.

La phase de coupe se fait pendant l'avance descendante de la perche jusqu'à la profondeur nécessaire. Au fur et mesure que l'outil de coupe avance en profondeur, le liant hydraulique (généralement coulis de ciment) est additionné. La vélocité de l'outil de coupe et le volume de coulis additionné doivent être ajustés par le conducteur de l'équipement de façon à optimiser l'utilisation de l'énergie et de créer une masse de matériel homogène qui permet facilement la descente e l'ascension de l'outil. En conditions difficiles, dans ce qu'il concerne le type de sol a excavé ou pour l'exécution des panneaux de CSM de grande profondeur, il pourra d'être nécessaire utiliser de bentonite pendant la phase de coupe. Dans ces cas, le coulis de ciment sera uniquement additionné au panneau pendant la phase d'extraction et de mélange. Atteinte le niveau défini dans les études, on commence la montée la perche inversant la rotation des roues tranchantes et en continuant à injecter le coulis de ciment à baise pression. Dans la figure 7 se représente, en schéma, cette procédure d'exécution.

Figure 7 - Principales phases d'exécution d’un panneau de CSM

Modèle d'analyse de la structure de soutènement

L'analyse de la structure de soutènement a été réalisée en utilisant un modèle numérique d'éléments finis, à travers du logiciel informatique de calcul Plaxis®. Le modelage des sols a été fait avec les paramètres géomécaniques indiqués dans le point 2.1, en adoptant le modèle de comportement Hardening Soil. L'analyse réalisée a englobé l'étude des sections représentatives de toutes les élévations de la structure de soutènement. Dans la figure suivante on peut observer, à titre d'exemple, le modèle d'analyse d'une des sections étudiées: Section A (section représentative de l'élévation nord).

Figura 8 - Section A (section représentative de l'élévation nord): Coupe-type (gauche) et modèle d'analyse avec la déformée de la dernière phase d'excavation (droite)

Dans le tableau suivant on présente les valeurs des déplacements horizontaux maximums du rideau obtenus dans l'analyse numérique de la section A.

Tableau 1- Déplacements horizontaux maximums du rideau obtenus dans l'analyse numérique de la section A

	Déplacement horizontal (mm)
Tête de la paroi	2.0
Au long de la hauteur du rideau	18.5

Vis-à-vis des caractéristiques de la zone d'intervention et les avoisinants, on a défini les suivants déplacements horizontaux maximums acceptables: 5 mm au niveau du haut du rideau et 20 mm au long de la hauteur du rideau. Dans le modelage numérique de toutes les sections étudiées on a prévu des valeurs inférieurs à ceux mentionnés et on a vérifié, pendant l'exécution de l'ouvrage, que les valeurs des déplacements horizontaux obtenus ont été légèrement inférieures à ceux qui ont été prévus.

Les panneaux de CSM ont été dimensionnés pour une tension de compression pas supérieure à 2 MPa et pour un module de déformabilité supérieure ou égale à 1 GPa. Dans le cas de la résistance à la compression, on a considéré un facteur de sécurité de 2, obligeant ainsi que les éprouvettes de sol-ciment, recueillis et soumis à des essais de laboratoire de résistance à la compression uniaxiale, présentent un valeur minimum de tension à la roture par compression de 4 MPa.

Exécution des travaux

Le procès d'exécution de la structure de soutènement a démarré avec la réalisation, à partir de la surface, des panneaux de sol-ciment armés, avant de commencer les travaux d'excavation. (Figure 9).

Figure 9 – Équipement, outil de coupe (gauche) et exécution d’un panneau de CSM (droite)

Les panneaux de CSM ont été exécutés avec un équipement constitué par une grue à chenilles, munie d'un tour vertical (RTG RG19T) de 23 m de hauteur, associé à un système de perche kelly de 20 m de hauteur. On a utilisé une outille de coupe du type BCM 5, attachée à l'extrémité inferieure de la perche kelly, dont les caractéristiques géométriques permettent d'obtenir la géométrie prétendue pour les panneaux de sol-ciment (section transversale de dimensions 2.40 m x 0.55 m).

Les profilés verticaux ont été placés immédiatement après l'exécution de chaque panneau de CSM, avant de leur durcissement, et positionnés à côté de la face intérieure des panneaux de façon à faciliter, à la suite, la solidarisation des poutres de distribution métalliques qui serviront d'appui au butonnage intérieur. (Figures 10 et 11).

Figure 10 - Exécution d'un panneau de CSM (gauche) et profilés verticaux IPE (droite)

Figure 11 - Détail de la poutre de distribution métallique (attaché directement aux profilés verticaux de la structure de soutènement)

La structure de soutènement a été obtenu à partir de l'exécution séquentielle de panneaux de CSM primaires et secondaires, avec une longueur de chevauchement entre eux de 0.20 m. Les panneaux secondaires peuvent être exécutés immédiatement après l'exécution des panneaux primaires, processus désigné par “soft-into-soft” ou alors, après le durcissement des panneaux primaires, processus désigné par “soft-into-hard” (Gerressen et al., 2009). Ces 2 processus sont faisables, car la versatilité de l'outille de coupe, pour la réalisation des panneaux de CSM, permet l'application de cette technologie à tous les types de sols. Avec notre expérience d'utilisation de cette technologie en plusieurs types de sols, on peut affirmer qu'elle présente des résultats plus satisfaisants quand elle est appliquée dans des sols sableux. Dans les sols argileux et limoneux on obtient des résistances inférieures pour les mêmes quantités de ciment.

La phase suivante a consisté à l'exécution d'une petite excavation de façon à permettre la collocation de la poutre de couronnement. On procède à l'excavation jusqu'à 0.50 m, au-dessous du 1er niveau de butonnage et ensuite on exécute la poutre métallique de distribution et on installe le butonnage métallique. L'excavation pour l'exécution du 2eme niveau de butonnage a été réalisée de façon analogue à celle-ci décrit pour le 1er niveau.

Suite à l'obtention de la profondeur maximum d'excavation, on a exécuté la dalle de fondation et le mur de revêtement en béton armé, en parallèle avec le processus de désactivation du butonnage, au fur et mesure qu'on exécute les plusieurs blocages, matérialisés par les dalles de la structure intérieure du bâtiment.

La Figure 12 montre une vue partielle de l'ouvrage pendant la phase d'excavation.

Figure 12 – Vue partielle de l'ouvrage pendant la phase d'excavation

Contrôle de Qualité

La variation des paramètres de résistance et de déformabilité du sol-ciment résultant de l'application de la technologie de CSM est liée directement avec le type d'homogénéité de le mélange, qui est influencé par divers facteurs comme par exemple le type de sol impliqué, la présence d'eaux, la façon comme le liant se distribue dans la masse de sol désagrégé, la présence de l'air comme un composant, les réactions chimiques qui se vérifient pendant le processus de mélange, entre d'autres. Pour ces questions c'est alors nécessaire d'avoir une attention spéciale et d'effectuer un contrôle de qualité efficace, soit-il pendant l'exécution, soit-il dans l'évaluation de la qualité du mélange, par rapport aux exigences du projet.

Un des principaux avantages dans l'application de la technologie de CSM, relativement a d'autres techniques alternatives, au-delà des aspects économiques et environnementaux (utilisation du sol in situ comme un matériel de construction), c'est la possibilité de contrôle en temps réel, par le conducteur de l'équipement, des paramètres d'exécution (Larsson, 2005). Pendant l'exécution d'un panneau de CSM, le conducteur dispose d'un tableau d'instruments (Figure 13) qui lui permet de surveiller et de corriger, en temps réel, des paramètres comme la vélocité d'avancement des roues tranchantes, la quantité de liant additionné, la densité de fluides impliqués (relation E/C) et la verticalité du panneau, entre d'autres.

Au-delà du contrôle effectué par le conducteur de l'équipement, pendant l'exécution des panneaux de CSM, le contrôle est aussi fait à d'autres niveaux, par des essais de laboratoire complétés avec des essais sur site, dans des panneaux de test exécutés expressément pour cet effet, qui vont permettre d'étalonner les paramètres d'exécution. Une fois les paramètres d'exécution étalonnés, on démarre la réalisation des panneaux de CSM de la structure de soutènement, d'où ils vont être aussi recueillis des échantillons pour réaliser des essais de laboratoire.

Dans le Tableau 2 on présente en résumé les valeurs moyennes obtenues dans les essais de résistance à la compression simple, réalisés sur des éprouvettes recueillies des panneaux de la structure de soutènement. De façon à vérifier l'évolution de la résistance à la compression à la longue, on a réalisé des essais de résistance à la compression simple aux 7, 14 et 28 jours. Analysant les valeurs moyennes présentées, on vérifie que la résistance moyenne des éprouvettes au 7eme jour est de 5 MPa, supérieur à la valeur exigée en projet (4 MPa), ce qui permet de conclure que les présuppositions considérées dans le dimensionnement se trouvent dans la sécurité.

Le contrôle pendant l'exécution a été aussi effectué par l'implémentation d'un planning d'observation et suivi, incluant des cibles topographiques placées sur la structure de soutènement, des inclinomètres dans le terrain derrière la structure de soutènement et des extensomètres installés sur les butons métalliques. Les observations effectuées par les appareils de surveillance, pendant la période de l'excavation, ont permis de vérifier que les déplacements ont été inférieurs à ceux qui ont été prévues, se trouvant alors au-dessous des valeurs établies comme limite d'alarme pour chaque phase d'excavation.

Figure 13 - Rapport d'exécution d'un panneau de CSM (gauche) et tableau de contrôle de l'équipement (droite)

Tableau 2- Valeurs moyennes obtenus dans les essais de résistance à la compression simple (éprouvettes essayées aux 7, 14 e 28 jours)

Age des éprouvettes	7 jours	14 jours	28 jours
Tension de roture à la compression uniaxiale (MPa)	5.0	7.0	7.8

Considérations Finales

L'exécution du rideau en panneaux de CSM dans cet ouvrage en étude, a constitué une option appropriée et avantageuse du point de vue technique, économique et environnementale. L'objectif principal de garantir la minimisation d'interférences et de perturbations dans le voisinage de l'ouvrage, a été accompli, comme il se peut vérifier au niveau des résultats obtenus dans les appareils de suivi installés dans le cadre du planning d'observation et suivi de l'ouvrage. Pendant l'excavation on a vérifié que les panneaux de CSM ont permis de réduire l'afflux d'eau dans l'enceint d'excavation et ils ont empêché totalement le passage d'eau à travers du rideau de soutènement.

Le champ d'application de la technologie de CSM est très global, soit-il au niveau du type de sol qui peut servir comme base au traitement, soit-il au niveau du type d'ouvrage où son application se devient techniquement et économiquement viable. Conformément on a mentionné dans cet article, la qualité du matériel qui résulte de l'application de cette technologie, dépend de divers facteurs, étant essentiel le contrôle et le suivi des ouvrages, spécialement dans les zones urbaines. Relativement à notre expérience avec l'utilisation de cette technologie, on peut affirmer que la même est en train d'être appliquée avec beaucoup de succès au Portugal et en France dans l'exécution de rideaux d'imperméabilisation, structures de soutènement et d'amélioration de sols de fondations.

Références