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R Fondations spéciales KELLER B Bâtiment IEN NA, 12 rue le Corbusier BP 40220, 9 94518 RUNG GIS CEDEX Tel : 01.41..73.33.33
Ellève stagiaire:
Aurélieen MANT TELIER Départementt : GEOT TECHNIQ QUE A 20010 Raapport dee stage, Année
ETU UDESS ET CON NDU UITEE DE TRA AVA AUX EN N REENFORC CEM MENTT DEE SOL
Annéée 2009 – 2010
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Remerciements J’adresse tout d’abord mes remerciements à Gaëlick CAVANNA, Ingénieur Travaux Principal à l’agence de Paris, et mon maitre de stage, pour son suivi, les conseils donnés, et les moyens mis à ma disposition. Je remercie également Cyril COPPALLE, Directeur de l’agence de l’Île de France, de m’avoir accueilli au sein de l’agence. J’associe aussi à ces remerciements Gilles PRADEAU et Sylvain STIL (Ingénieurs Travaux) pour leur soutien, leurs avis et leurs explications ainsi que leur patience pendant la réalisation des chantiers. Je tiens également à remercier Joël HEIL, Aline THUAIRE et Benoît PAINEAU (Ingénieurs Commerciaux) ; Olympe RETY et Antony MURA (Ingénieurs Etudes) ; Valérie LEGEAU et Jennifer PARSI (Assistantes Travaux et Commerciale), de m’avoir accompagné tous les jours dans l’agence de Paris, pendant mon stage. Enfin, je remercie Lucile DUMORA et Alexandre PETRUS, stagiaires et collègues, pour leur aide et leur bonne humeur.
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Résumé Keller Fondations Spéciales est une entreprise de travaux publics travaillant dans le domaine des fondations spéciales, de l’amélioration et du renforcement de sol. Le renforcement de sol est une technique depuis longtemps utilisée et reconnue. Elle consiste à mettre en place un élément résistant dans le sol afin de former un complexe sol‐ renforcement. Cela conduit à une augmentation globale des caractéristiques mécaniques du sol : la capacité portante est augmentée et les tassements sous ouvrage sont réduits. L’intérêt principal du renforcement de sol est de mettre en place des fondations superficielles ; le coût rapporté aux fondations est diminué par rapport à des fondations profondes ou semi‐profondes. La technique des colonnes ballastées est la plus utilisée en renforcement de sol. Ce sont des inclusions souples et compactes, en graves refoulées. Leur mise en place suit le procédé conçu par Keller et leur dimensionnement répond aux recommandations du Soffons‐Coprec, le cahier des charges des colonnes ballastées. La conduite de travaux en renforcement de sol consiste à suivre un chantier, de sa préparation à sa clôture. Le conducteur de travaux est la personne qui organise et supervise les travaux. Ses compétences sont aussi bien techniques que financières. Tout en dirigeant l’équipe de chantier, il doit gérer le budget et le suivi financier des travaux.
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Abstract Keller Fondations Spéciales is a construction company working in the field of special foundations, soil improvement and strengthening. Soil strengthening is a well‐known method. It consists in putting in place a resistant element in the soil to constitute a complex soil‐strengthening. The global mechanical characteristics of the soil are increased: the loading capacity is increased and the soil compression is reduced. The main benefit of the soil strengthening is to realize shallow foundations. The total cost of the foundations is reduced compared to deep foundations. The technique of ballasted columns is the most used in soil strengthening. They are supple inclusions, made up of compressed gravels. Their setting up follows the process invented by Keller and their dimensioning is in compliance with the recommendations of the Soffons‐Coprec, the requirements of the ballasted columns. Managing the work in the soil strengthening consists in organizing, from the beginning to the end. Competences of the work manager are technical and financial. He supervises the work team and controls the budget of the work.
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Sommaire Introduction ............................................................................................................................... 7 Partie 1 ‐ Présentation du groupe KELLER ................................................................................ 8 I‐
L’histoire du groupe ............................................................................................................ 8
II‐ La situation actuelle ............................................................................................................ 8 1. Les implantations géographiques ................................................................................... 8 2. Keller Fondations Spéciales ............................................................................................. 9 a. Les agences .................................................................................................................. 9 b. L’agence de Paris ........................................................................................................ 10 c. Activités et procédés .................................................................................................. 11 Partie 2 – Etudes des colonnes ballastées .............................................................................. 12 I‐
Généralités ........................................................................................................................ 12 1. Classement des travaux spéciaux .................................................................................. 12 2. Explication et comparaison des techniques .................................................................. 13 3. Les fondations superficielles ......................................................................................... 14
II‐ Les colonnes ballastées ..................................................................................................... 15 1. Présentation .................................................................................................................. 15 2. Domaine d’application .................................................................................................. 16 3. La mise en œuvre .......................................................................................................... 17 III‐ Présentation d’une note de calcul de colonnes ballastées ............................................... 19 1. Présentation du chantier rue Pajol, Paris 18ième – Construction d’un gymnase. .......... 19 a. Présentation générale ................................................................................................ 19 b. Les intervenants ......................................................................................................... 19 c. Les caractéristiques de l’ouvrage ............................................................................... 20 d. Nature et caractéristiques mécaniques des sols ....................................................... 20 2. Dimensionnement ......................................................................................................... 22 a. Portance d’une colonne ballastée isolée ................................................................... 23 b. Portance du sol isolé .................................................................................................. 25 c. Portance globale du renforcement ............................................................................ 26 d. Calculs avec la méthode de PRIEBE ........................................................................... 27 e. Raideur ....................................................................................................................... 29
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Partie 3 – Conduite de travaux ................................................................................................ 30 I‐
Positionnement hiérarchique ........................................................................................... 30
II‐ Préparation de chantier .................................................................................................... 31 1. Réunion de transfert ..................................................................................................... 31 2. Validation des documents d’études .............................................................................. 32 3. Budget prévisionnel et commandes ............................................................................. 32 4. Derniers préparatifs avant lancement des travaux....................................................... 36 III‐ Lancement et suivi du chantier ......................................................................................... 37 1. Lancement des travaux ................................................................................................. 37 2. Suivi technique des travaux .......................................................................................... 40 3. Essais de réception ........................................................................................................ 41 a. Essais de compacité ................................................................................................... 41 b. Essai de chargement .................................................................................................. 42 c. Essai d’impédance mécanique ................................................................................... 43 d. Ecrasement d’éprouvettes béton .............................................................................. 44 IV‐ Dossier des Ouvrages Existants (DOE) .............................................................................. 45 V‐ Suivi financier de la production et facturation ................................................................. 46 Conclusion ................................................................................................................................ 50 Table des Figures .................................................................................................................... 51 Bibliographie ............................................................................................................................ 52 Annexes................................................................................................................................... 53
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Introduction Ce rapport présente le stage que j’ai effectué au sein de l’entreprise Keller Fondations Spéciales. Keller est spécialisé dans l’amélioration et le renforcement de sol. Tout au long de ce stage, j’ai eu l’occasion de travailler en études pour dimensionner des chantiers de colonnes ballastées, et en travaux où j’ai occupé le poste de conducteur de travaux. Dans la première partie, nous présenterons le groupe Keller, avec ses différentes filiales mondiales, puis plus précisément Keller Fondations Spéciales avec ses agences, son fonctionnement et ses activités et procédés techniques. Dans la deuxième partie, nous présenterons la technique de renforcement de sol par colonnes ballastées, son domaine d’application, ses limites et sa mise en œuvre. Une étude de cas sera présentée sur un chantier dont j’ai réalisé le dimensionnement. Dans la troisième partie, nous présenterons le poste de conducteur de travaux, de la préparation de chantier à sa clôture. La conduite de travaux a des aspects techniques car elle demande d’organiser et de superviser une équipe de chantier, mais également financiers car le conducteur de travaux doit gérer les commandes et respecter le budget alloué au chantier. Enfin, le logiciel en réseau iXBAT de gestion de chantier sera présenté en fin de rapport. Il permet un meilleur suivi des affaires, pour tous les services concernés de l’entreprise.
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Partie 1 ‐ Présentation du groupe KELLER I L’histoire du groupe Keller Group est le résultat du rachat de la société Johan Keller GmbH par la société GNK plc, en 1974. Cette dernière a donc choisi de changer de nom pour Keller Group. Johan Keller GmbH était une entreprise créée par Johan Keller en 1860. Elle était basée en Allemagne à Renchen. Johan Keller dirigeait une chaudronnerie, et se fit, peu à peu, un nom dans le forage d’eau. Puis il développa ses techniques de forages et particulièrement celle du renforcement des sols par aiguilles vibrantes électriques ; technique appelée Torpédo. Désormais Keller Group plc, basé à Londres, est un des leaders mondiaux des fondations spéciales et de la géotechnique.
II La situation actuelle La société Keller Group représente aujourd’hui 6000 employés pour un chiffre d’affaire de 1,2 milliard d’euros. Ses résultats la place au rang de n°1 des entreprises de fondations spéciales à l’échelle mondiale, en terme d’activité. La partie européenne et orientale du groupe (Keller Holding GmbH) compte plus de 3000 employés et a réalisé un chiffre d’affaire de l’ordre de 850 millions d’euros.
1. Les implantations géographiques Géographiquement, le groupe Keller se divise en 4 entités : •
Keller Ground Engineering au Royaume‐Uni
•
Keller Foundation (Hayward Baker) aux Amériques
•
Keller Australia en Australie
•
Keller Holding GmdbH principalement pour l’Europe, l’Afrique du nord et le Moyen‐ Orient.
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Keller Ground Engineering Keller Foundations Inc Keller Holding GmbH
Keller Australia Pty
Figure 1 - Division géographique de Keller Group
2. Keller Fondations Spéciales Keller Fondations Spéciales est donc la filiale française de Keller Holding GmbH. Elle a été créée en 1991 et compte aujourd’hui 200 salariés. C’est une société à actionnariat simplifié qui a réalisé un chiffre d’affaire de 62.8 millions d’euros en 2008. Elle est positionnée au 5ème rang des entreprises de fondations, et au 1er rang des entreprises de renforcement et amélioration de sol. a. Les agences Keller Fondations Spéciales, est en charge, au sein de Keller Holding GmbH, de la zone Sud‐Ouest du continent (Portugal, Espagne, France). Keller Fondations Spéciales est implantée sur tout le territoire français, grâce à huit agences situées en métropole et une agence située en Martinique. Le siège de Keller Fondations Spéciales se situe dans le Bas‐ Rhin à Duttlenheim, près de Strasbourg.
Figure 2 - Division géographique des agences Keller Fondations Spéciales
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b. L’agence de Paris i.
Organisation de l’agence
L’agence de Paris se décompose en 3 services : • •
Le service commercial, qui vend les affaires et répond aux appels d’offres ; Le service étude ; l’agence de Paris possède son propre bureau d’étude qui effectue les notes de calcul pour l’exécution des travaux ; • Le service travaux, qui s’occupe directement du chantier (organisation du chantier, prises de commande aux fournisseurs extérieurs, suivi des travaux…). Chaque service se compose de trois à quatre ingénieurs. Mon stage s’est majoritairement déroulé dans le service travaux, avec tout de même une période dans le service étude afin de m’initier à la rédaction de notes de calcul. ii.
Fonctionnement de l’agence
De l’étude commerciale à la clôture du chantier, les affaires se déroulent toujours selon la même organisation : L’ingénieur commercial répond aux appels d’offres, en mettant au point la meilleure solution technique au prix le plus attractif. Lorsque le contrat est signé, le chantier peut être ajouté au planning de l’agence. Il passe alors de l’état « d’étude commerciale » à « affaire ». L’ingénieur études rédige la note de calcul et demande au dessinateur de lui faire parvenir le plan d’exécution. Il transmet ces documents au mandataire et au bureau de contrôle. L’ingénieur travaux prend contact avec le client et prépare le chantier (budget, commandes matériels et matériaux) jusqu’au lancement du chantier. Tout au long des travaux, il s’occupe du suivi technique et financier du chantier. Une fois les travaux achevés, il clôt le chantier par la rédaction du Dossier des Ouvrages Existants (DOE) correspondant au récolement. Le travail d’ingénieur travaux correspond au poste de conducteur de travaux que j’ai occupé pendant mon stage. Il sera décrit de façon plus précise dans la 3ème partie de ce rapport.
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c. Activités et procédés Keller Fondations Spéciales propose un large choix de techniques afin de répondre à la complexité de chaque chantier. i.
Amélioration / Renforcement de sol
♦ Colonne Ballastées Sèche ou Injectée → Colonne réalisée en graviers refoulés, à l’aide d’un vibreur à sas Keller
♦ Inclusion rigide type INSER®* → Colonne réalisée en béton, à l’aide d’un vibreur ou d’une tarière à refoulement
♦ Colonne à Module Mixte CMM®** → Colonne combinant une inclusion rigide en partie inférieure et une colonne souple en graviers refoulés en partie supérieure
♦ Vibro‐compactage → Densification du sol par réduction de la porosité à l’aide d’une aiguille vibrante
♦ Compactage dynamique → Densification du sol par la chute répétée d’une forte masse
♦ Induction Hydraulique® → Substitution du sol de la dimension de la semelle, puis compactage par vibration ii.
Fondations profondes
♦ Pieux forés à la tarière creuse → Pieux mis en place par injection du béton à l’intérieur de la tarière, le sol étant remonté en surface par la partie hélicoïdale de l’outil ♦ Pieux forés type Eliterre → Pieux mis en place à l’aide d’un vibreur Keller, technique se situant entre l’inclusion rigide et le pieu traditionnel
iii.
Reprise en sous œuvre et soutènement
♦ Jet grouting → Destruction du sol par un jet de fluide à haute énergie, puis injection de coulis de ciment ♦ Parois de soutènement → Pieux jointifs, sécants ; Parois parisiennes, berlinoises, autostables, butonnées, tirantées, clouées avec béton projeté, armées ou non ♦ Micro‐pieux ♦ Procédé Soilfrac® → Création de fissures remplies dans le sol par injection de liant hydraulique ♦ Compactage Horizontale Statique CHS → Injection sous pression de mortier afin de former des inclusions sphériques et recoupées verticalement entre elles
*
Annexe 1 Annexe 2
**
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Partie 2 – Etudes des colonnes ballastées La technique des colonnes ballastées est un moyen courant de renforcement de sol. Elle peut être mise en œuvre pour tout type d’ouvrages comme des bâtiments, des ouvrages logistiques, des infrastructures, des remblais, la stabilisation des talus, des réservoirs, etc. Pour pouvoir appliquer les méthodes de dimensionnement, il faut comprendre les bases de la technique des colonnes ballastées. Ce chapitre présente d’abord les travaux spéciaux de fondations, de renforcement et d’amélioration de sol, avec une explication et une comparaison des techniques les plus utilisées ainsi que leur comportement mécanique. Il donne ensuite une vue globale sur les colonnes ballastées : leur composition, leur domaine d’application et leur mise en œuvre. Enfin, un dimensionnement de colonnes ballastées sera présenté. Il portera sur un chantier dont j’ai suivi les travaux au mois de juin 2010.
I
Généralités 1. Classement des travaux spéciaux
Les travaux classiques de fondations sont réalisés sur des sols en place de bonne compacité. Ce sont généralement des fondations superficielles simples, réalisées par des entreprises de gros œuvre. Lorsque le sol en place n’est pas de bonne compacité, il est nécessaire d’avoir recours aux travaux spéciaux de fondations. On peut distinguer trois grandes catégories de travaux spéciaux : •
•
•
Les fondations, qui peuvent être : ‐ Profondes (les pieux forés ou battus par exemple) ‐ Semi‐profondes (les puits bétonnés de faible profondeur) Le renforcement de sol, qui peut être de deux types : ‐ Inclusions rigides (inclusion INSER® par exemple) ‐ Inclusions souples (colonnes ballastées par exemple) L’amélioration de sol ‐ Vibro‐compactage ‐ Compactage dynamique
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L’intérêt principal du renforcement et de l’amélioration de sol est la possibilité, après réalisation, de mettre en place une fondation superficielle supportant les structures du bâtiment. Le coût rapporté aux fondations est alors diminué par rapport à des fondations profondes ou semi‐profondes. C’est donc souvent une alternative financièrement intéressante.
2. Explication et comparaison des techniques Le renforcement de sol et l’amélioration de sol ne sont pas des fondations à proprement dit, mais des traitements de sol ayant pour but d’améliorer les caractéristiques mécaniques du sol en place afin : ‐ ‐
qu’il supporte des charges supérieures à celles qu’il pouvait supporter initialement, qu’il admette un tassement inférieur à celui qu’il aurait admis initialement.
Notons la différence entre renforcement et amélioration de sol : l’amélioration de sol améliore physiquement le sol en place par une réorganisation granulaire du sol et par une diminution de l’indice des vides ; alors que le renforcement fait appel à un matériau extérieur mis en place dans le sol. C’est alors le complexe « sol‐renforcement » qui améliore de façon globale les caractéristiques mécaniques du sol. La mise en place d’inclusions rigides ou souples permet d’augmenter la capacité portante du sol et de réduire les tassements ; c’est le sol et l’inclusion qui reprennent les charges apportées par la fondation. Notons que les inclusions rigides et souples ne reprennent pas les moments des massifs de fondations. σp σsem
qcol qsol
Sol compact
Sol compact
Sol compact
Sol sans renforcement
Sol renforcé par pieux
Sol renforcé par colonnes
σsem : Contrainte appliquée par la semelle de fondation au sol σp : Contrainte appliquée par la semelle en tête de pieu qcol et qsol : Contraintes appliquées par la semelle en tête de colonne et au sol
Figure 3 - Différence de report de charge entre les différents types de travaux spéciaux
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Dans le cas du sol non renforcé, la semelle de fondation applique une contrainte globalement constante sous toute sa surface. Dans le cas du sol renforcé par pieux, les contraintes ne sont pas reprises directement par le sol, mais seulement par les pieux qui les redistribuent au sol par frottement latéral et par résistance de pointe. Dans le cas du sol renforcé par colonnes ballastées par exemple, la contrainte apportée par la semelle de fondation est reprise, d’une part par la colonne, et d’autre part, et en moindre mesure, par le sol lui‐même. En effet, plus un élément est rigide, plus il reprend une contrainte importante. La colonne ballastée est plus rigide que le sol.
3. Les fondations superficielles Dans le dimensionnement on considère trois types de semelles : • • •
Les semelles de grandes dimensions appelées radiers, Les semelles dont la longueur est au moins 10 fois supérieure à la largeur, dites filantes, Les semelles isolées.
Ces trois types de semelles peuvent être supportés par des inclusions souples ou rigides. Il est cependant souvent nécessaire de mettre en place un matelas de répartition entre les inclusions et le dallage, le cas échéant.
Figure 4 - Semelle isolée et semelle filante
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II Les colonnes ballastées 1. Présentation La colonne ballastée fait partie de la famille du renforcement de sol. Sa mise en place dans le sol conduit à une augmentation globale des caractéristiques mécaniques du sol en place. Les quatre principaux avantages d’une colonne ballastée sont : • • • •
La réduction des tassements, L’augmentation de la capacité portante, L’accélération de la consolidation primaire du sol grâce à sa capacité drainante, La stabilité générale et la résistance en zone sismique.
La colonne est une inclusion composée seulement de graviers ou injectée de béton ou de coulis (ce dernier cas ne sera pas décrit dans ce rapport). La colonne ballastée non injectée de béton est donc constituée de matériaux granulaires, sans cohésion, compactés dans le sol encaissant. Le matériau d’apport constituant est souvent une grave avec une granulométrie la plus homogène possible et bien définie, dont les plus gros éléments ont une taille supérieure à 40 mm. • • • •
LA > 35 MDE
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