Compactage

Objectifs du chapitre

À la fin de ce chapitre, vous serez capable de:

• expliquer les objectifs du compactage et les mécanismes qui le gouvernent;
• décrire l'essai Proctor normal et modifié, tracer la courbe ${\gamma }_d$–$w$ et en déduire ${\gamma }_{d,max}$ et $w_{opt}$;
• tracer la courbe de saturation et les lignes d'air constant, et calculer le degré de saturation d'un sol compacté;
• prévoir le comportement d'un sol compacté côté sec et côté humide de l'optimum;
• choisir un engin de compactage, contrôler un remblai par la densité in situ et l'essai de plaque $M_E$, et juger de sa conformité aux exigences suisses.

Pourquoi compacter?

Un sol mis en remblai par simple déversement est lâche: son indice des vides est élevé, sa résistance faible, sa perméabilité forte et surtout sa compressibilité importante et irrégulière. Le compactage consiste à resserrer les grains par une action mécanique (chocs, vibrations, pétrissage, pression), en expulsant l'air des vides; contrairement à la consolidation (chapitre 6), il n'y a pas d'expulsion d'eau et l'opération est quasi instantanée.

Les objectifs pratiques sont de limiter les tassements ultérieurs d'un remblai (routes, voies ferrées, plateformes), d'assurer la portance de la plateforme sous une chaussée, de garantir la stabilité des talus de remblai et des digues, et de réduire la perméabilité des noyaux de barrages ou des couvertures de décharges. En Suisse, les remblais routiers et ferroviaires utilisent largement les matériaux morainiques et les graves d'excavation, ainsi que, de plus en plus, des matériaux recyclés (graves de recyclage, matériaux bitumineux concassés) conformément à l'ordonnance sur les déchets (OLED) et aux normes VSS correspondantes.

L'essai Proctor

Principe et énergie de compactage

Ralph Proctor a montré en 1933 que, pour une énergie de compactage donnée, le poids volumique sec obtenu dépend de la teneur en eau et passe par un maximum. L'essai Proctor reproduit ce phénomène en laboratoire: on compacte le sol dans un moule cylindrique en plusieurs couches, chacune recevant un nombre fixé de coups d'une dame de masse et de hauteur de chute normalisées. L'essai est répété à plusieurs teneurs en eau croissantes.

L'énergie volumique se calcule directement à partir des paramètres de l'essai. Pour le Proctor normal en moule A:

Pour chaque point d'essai, on pèse le moule rempli, on en déduit le poids volumique humide $\gamma =W/V$, on mesure la teneur en eau $w$ sur un prélèvement et l'on calcule

La courbe Proctor

Le report des points ($w$, ${\gamma }_d$) donne la courbe Proctor ou courbe de compactage (figure 3.1). Elle passe par un maximum, le poids volumique sec maximal ${\gamma }_{d,max}$, atteint pour la teneur en eau optimale $w_{opt}$.

L'interprétation physique est la suivante. Côté sec, l'eau lubrifie les contacts et permet aux grains de se réarranger: plus $w$ augmente, plus le compactage est efficace. Au-delà de l'optimum, l'eau occupe une part croissante des vides; comme elle est incompressible et n'a pas le temps de s'échapper pendant le compactage, elle empêche le resserrement des grains et ${\gamma }_d$ diminue. La courbe se rapproche alors de la courbe de saturation sans jamais l'atteindre: il subsiste toujours quelques pour cent d'air occlus.

Influence de l'énergie et du type de sol

Une énergie plus forte resserre davantage les grains: la courbe Proctor modifié se situe au-dessus de la courbe normale et son optimum est décalé vers les faibles teneurs en eau (figure 3.1). Pour la moraine de l'exemple 3.1, on passe typiquement de ${\gamma }_{d,max}=20,0$ kN/m³ à 21,5 kN/m³ et de $w_{opt}=9\%$ à 7 %. Le gain de densité est cependant limité par la courbe de saturation: à droite de l'optimum, les deux courbes se rejoignent presque.

La nature du sol joue un rôle encore plus important:

• les graves et sables bien gradués atteignent des ${\gamma }_{d,max}$ élevés (20 à 22 kN/m³) pour des $w_{opt}$ faibles (6 à 10 %), avec une courbe pointue: la teneur en eau doit être bien maîtrisée;
• les sables uniformes ont une courbe plate et peu marquée, parfois avec deux maximums; ils se compactent mieux par vibration, secs ou saturés;
• les silts et argiles peu plastiques (moraines argileuses, silts lacustres) ont des optimums de 12 à 18 % et ${\gamma }_{d,max}$ de 17 à 19 kN/m³;

Comportement des sols compactés

Deux échantillons compactés au même ${\gamma }_d$, l'un côté sec et l'autre côté humide de l'optimum, n'ont pas le même comportement. La différence tient à la structure du sol: côté sec, les particules argileuses restent groupées en agrégats (structure floculée), avec de gros pores entre eux; côté humide, l'énergie de compactage oriente les particules parallèlement (structure dispersée) et les pores sont plus fins et plus uniformes.

Ces différences dictent le choix de la teneur en eau de mise en œuvre selon la fonction de l'ouvrage. Un noyau de barrage en argile est compacté légèrement côté humide (+1 à +3 % au-dessus de $w_{opt}$) pour minimiser la perméabilité et éviter la fissuration; un remblai routier ou une couche de forme sont compactés à l'optimum ou légèrement côté sec pour maximiser la portance immédiate. Un sol compacté trop sec sous une fondation risque un effondrement (collapse) lors d'une remontée de nappe: les agrégats se détruisent et le sol se tasse brutalement.

Compactage in situ

Engins et épaisseur des couches

Le compactage sur chantier s'effectue par couches successives, dont l'épaisseur est adaptée à l'engin et au matériau. Les principaux engins sont:

• les rouleaux vibrants lisses (monocylindres tractés ou automoteurs de 5 à 20 t): les plus polyvalents, efficaces sur les graves, sables et moraines par vibration, couches de 30 à 60 cm;
• les rouleaux à pieds dameurs («pieds de mouton»): compactage par pétrissage des sols fins et argileux, couches de 20 à 30 cm;
• les rouleaux à pneus: compactage par pression et pétrissage des sols intermédiaires et des couches bitumineuses;
• les plaques vibrantes et pilonneuses pour les remblais de tranchées et les zones inaccessibles, couches de 15 à 25 cm;
• le compactage dynamique (chute de masses de 10 à 40 t) et le vibrocompactage pour densifier en place des sables lâches sur plusieurs mètres.

Le nombre de passes (généralement 4 à 8) et l'épaisseur des couches sont fixés lors d'une planche d'essai en début de chantier, où l'on mesure la densité obtenue en fonction du nombre de passes.

Contrôle par la densité in situ

Le premier contrôle consiste à mesurer le poids volumique sec en place et à le comparer à la référence Proctor.

Les exigences courantes sont de 95 % du Proctor normal dans le corps d'un remblai routier, 97 % dans le mètre supérieur et 100 % (ou 97 % du Proctor modifié) pour les couches de forme et de fondation des chaussées. La teneur en eau de mise en œuvre est également contrôlée: les tolérances usuelles sont de l'ordre de $w_{opt}-2\%$ à $w_{opt}+1\%$ pour les sols fins, un peu plus larges pour les graves.

La densité in situ se mesure par:

• le densitomètre à membrane (ou méthode du sable calibré): on creuse un trou, on pèse le sol extrait et l'on mesure le volume du trou par une membrane gonflée à l'eau ou par du sable de granulométrie connue; la teneur en eau est mesurée à l'étuve;
• le gammadensimètre (sonde nucléaire): l'atténuation d'un rayonnement gamma donne la masse volumique humide et la modération de neutrons rapides donne la teneur en eau; mesure rapide, mais à étalonner sur le matériau;
• les contrôles continus embarqués sur les rouleaux (compactage intelligent), qui cartographient la raideur de la couche.

Sur chantier, il faut souvent corriger la teneur en eau du matériau avant compactage. La masse d'eau à ajouter se rapporte à la masse sèche du sol: pour porter un volume $V$ de remblai compacté au poids volumique sec ${\gamma }_d$ de la teneur en eau $w_1$ à $w_2$, il faut ajouter

Contrôle par l'essai de plaque $M_E$

La densité ne dit rien de la raideur de la couche, qui est pourtant ce que la chaussée «voit». L'essai de plaque mesure directement la déformabilité de la plateforme.

Synthèse

• Le compactage densifie le sol en chassant l'air de ses vides, à teneur en eau constante; il augmente ${\gamma }_d$, la résistance et la raideur, et réduit la perméabilité et les tassements.
• L'essai Proctor (SN 670 330 / SN EN 13286-2) donne la courbe ${\gamma }_d$–$w$, dont le maximum définit ${\gamma }_{d,max}$ et ; l'énergie modifiée (2,7 MJ/m³) déplace l'optimum vers le haut et vers la gauche.

Exercices

Vous pouvez afficher le corrigé directement sous chaque énoncé après avoir cherché la solution.

Références

• SN 670 330, Sols – Essai de compactage Proctor, et SN EN 13286-2, Mélanges avec ou sans liant hydraulique – Méthodes d'essai de détermination de la masse volumique de référence et de la teneur en eau – Compactage Proctor, VSS, Zurich.
• SN 670 317b, Sols – Essai de plaque ME, VSS, Zurich.
• SN 640 585, Terrassement – Remblais et infrastructure: exigences, VSS, Zurich.
• SIA 267, Géotechnique, Société suisse des ingénieurs et des architectes, Zurich, 2013.
• Lang, H.-J., Huder, J., Amann, P., Puzrin, A. M., Bodenmechanik und Grundbau, Springer, Berlin.
• Das, B. M., Principles of Geotechnical Engineering, Cengage; chapitre sur le compactage.