CONCEPTION ET CALCUL DES MURS DE SOUTENEMENT EN TERRE ARMEE - Institut Supérieur du BAtiment et des Travaux Publics 2006
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Institut Supérieur du BAtiment et des Travaux Publics Année 2005-
2006
CONCEPTION ET
CALCUL DES MURS DE
SOUTENEMENT EN
TERRE ARMEE
Malorie JACQUELIN
-2-
SOMMAIRE
LISTE DES DOCUMENTS .................................................................................................. 3
INTRODUCTION .................................................................................................................. 4
I. PRESENTATION GENERALE ......................................................................... 5
1 – Définition et principe de la terre armée .................................................................. 5
2 – Le matériau de remblai ........................................................................................... 5
3 – Le parement ............................................................................................................ 8
4 – Les armatures .......................................................................................................... 9
5 – Mise en œuvre de la terre armée ........................................................................... 10
6 – Applications .......................................................................................................... 12
II. EVOLUTION DE LA TERRE ARMEE : UN PROCEDE EN EXPANSION
MALGRE DES DEBUTS DIFFICILES .......................................................... 14
1 – La durabilité des ouvrages en terre armée ............................................................ 14
2 – Exemples de réparation des ouvrages affectés existants ...................................... 19
3 – Performance des structures en terre armée vis-à-vis des séismes ........................ 21
III. COMPORTEMENT ET ELEMENTS GENERAUX DE CONCEPTION
D’UN MUR DE SOUTENEMENT EN TERRE ARMEE ............................. 25
1 – Comportement d’un massif de soutènement en terre armée ................................. 25
2 – Données du projet ................................................................................................. 26
3 – Dispositions constructives générales .................................................................... 27
IV. JUSTIFICATIONS DES OUVRAGES EN TERRE ARMEE ....................... 29
1 – Principes de justification des ouvrages en terre armée ......................................... 29
2 – Justification vis-à-vis de la stabilité externe ......................................................... 29
3 - Justification vis-à-vis de la stabilité interne .......................................................... 32
4 – Justification vis-à-vis de la stabilité globale ......................................................... 37
5 – Justifications vis-à-vis des déformations .............................................................. 41
CONCLUSION ..................................................................................................................... 43
SOURCES ET REMERCIEMENTS ................................................................................. 44
ANNEXES ............................................................................................................................. 45
-3-
LISTE DES DOCUMENTS
Figure 1 : Caractéristiques essentielles auxquelles doit satisfaire le matériau de remblai
pour être utilisé en terre armée ................................................................................................. 6
Figure 2 : Tableau-guide pour le choix des sols de remblai .................................................... 7
Figure 3 : Photo d’un mur de soutènement en terre armée sous la ligne de chemin de
fer à grande vitesse à Tokaïdo au Japon ................................................................................... 8
Figure 4 : Photos d’autres types de parement .......................................................................... 9
Figure 5 : Schéma de principe de mise en œuvre de la terre armée ...................................... 10
Figure 6 : Photo du montage d’un niveau d’éléments de parement ...................................... 10
Figure 7 : Photos du remblaiement et du compactage d’une couche de sol .......................... 11
Figure 8 : Photo de la pose d’un lit d’armatures ................................................................... 11
Figure 9 : Graphique présentant la répartition par types de projet ........................................ 13
Figure 10 : Courbe de l’évolution du nombre cumulé d’ouvrages construits en terre
armée de 1968 à 1989 ............................................................................................................. 14
Figure 11 : Schéma d’une pile due à l’hétérogénéité du métal en surface ............................ 16
Figure 12 : Schéma d’une pile fer-zinc ................................................................................. 16
Figure 13 : Photo de rupture de l’ouvrage expérimental ....................................................... 17
Figure 14 : Tableaux des critères chimiques et électrochimiques qui définissent les sols
usuels et valeurs requises pour les épaisseurs sacrifiées ........................................................ 18
Figure 15 : Schéma de renforcement par remblai de butée ................................................... 19
Figure 16 : Schéma de renforcement par mur de soutènement en T ..................................... 19
Figure 17 : Photos du renforcement des murs de soutènement affectés par clouage des
écailles .................................................................................................................................... 20
Figure 18 : Photos d’une maison en ruine à Gemona et d’un massif de soutènement à
parement métallique près de Gorizia ...................................................................................... 22
Figure 19 : Photos d’un mur en terre armée dans la péninsule de Oga et de l’aire de
circulation et de stockage sérieusement endommagée sur le port de Akita ........................... 23
Figure 20 : Photos de maisons écroulées dans le quartier des Marinas à San Francisco
et d’un mur en terre armée à richmond .................................................................................. 24
Figure 21 : « Ecorché » d’un massif de soutènement courant en terre armée ....................... 25
Figure 22 : Hauteur critique Hc en fonction du fruit ή .......................................................... 26
Figure 23 : Définition de la hauteur mécanique Hm dans le cas d’un mur en remblai
armé ........................................................................................................................................ 26
Figure 24 : Rapport Dm/qref en fonction de la pente βp du terrain à l’aval ............................ 28
Figure 25 : Espacement relatif maximal sv/Hm en fonction du rapport Linf/Hm ..................... 28
Figure 26 : Actions volumiques pour le dimensionnement externe ...................................... 30
Figure 27 : Tableau des valeurs de γF1 et γF3 pour le dimensionnement externe .................. 31
Figure 28 : Ligne des tractions maximales, zone active, zone résistante .............................. 32
Figure 29 : Traction dans les armatures ................................................................................ 33
Figure 30 : Tableau des valeurs de γF1 et γF3 pour le dimensionnement interne ................... 35
Figure 31 : Rupture circulaire pour vérification de la stabilité générale ............................... 37
Figure 32 : Calcul par la méthode des tranches ..................................................................... 38
Figure 33 : Tableau des valeurs de γF1, γF3, γFW, γFT et γFR pour le calcul de la stabilité
globale .................................................................................................................................... 40
Figure 34 : Tableau des coefficients partiels de sécurité pour la justification vis-à-vis
de la stabilité globale .............................................................................................................. 41
Figure 35 : Tableau des valeurs de γF1 pour le calcul des tassements ................................... 42
-4-
INTRODUCTION
Les murs de soutènement figurent dans l’histoire de la construction, dès son origine.
Ils ont été en pierres sèches, puis en maçonnerie, et enfin en béton armé. L’emploi de ce
matériau, universellement répandu, soulève néanmoins des problèmes de coût et d’aspect pour
des hauteurs importantes, de comportement sur sols compressibles ainsi que des difficultés de
mise en œuvre.
La terre armée a été inventée par Henri VIDAL, ingénieur des Ponts et Chaussées, et
architecte, qui a publié les premiers résultats de ses recherches en 1963. « Au départ tout
commence à la manière d’un jeu, en construisant un château de sable sur la plage de Saint-
Tropez, racontait Henri Vidal lui-même. Mais le sable s’égrène. Alors est venue l’idée
d’armer la construction avec des aiguilles de pins ». Et de cette idée est né le principe général
du sol renforcé et le concept particulier de la terre armée …
La conception, le calcul et la surveillance des ouvrages d’art en terre armée nécessitent
un certain nombre de règles et de principes. Ceux-ci ont été élaborés à la suite de nombreuses
analyses du comportement de la terre armée sous l’effet des diverses sollicitations statiques,
dynamiques ou thermiques auxquels peuvent être soumis les ouvrages.
Dans une première partie, nous commencerons par définir le principe général de la
terre armée. Ensuite, nous verrons comment celle-ci a évolué, c’est-à-dire comment après des
débuts difficiles, elle est aujourd’hui utilisée par tous les plus grands noms de la construction.
Dans une troisième partie, nous présenterons le comportement et les éléments généraux de
conception d’un mur de soutènement en terre armée. Enfin, dans une dernière partie, nous
étudierons les justifications des ouvrages en terre armée.
-5-
I. PRESENTATION GENERALE
1. Définition et principe de la terre armée
Le procédé de la terre armée, ou sol renforcé, est basé sur l’association d’un remblai
compacté et d’éléments préfabriqués.
Le remblai représente la part la plus importante en volume.
Les éléments préfabriqués sont :
- les armatures qui, avec le matériau de remblai, sont les deux constituants essentiels de
la terre armée,
- les éléments de parement qui permettent de réaliser des faces d’ouvrages verticales. Le
parement n’a qu’un rôle secondaire dans le fonctionnement ; par contre il limite
généralement la déformabilité d’ensemble du massif armé et influe directement sur
son esthétique.
La technique des éléments préfabriqués permet d’obtenir les caractéristiques
suivantes :
- une rapidité et une facilité d’exécution des ouvrages, sans nécessité de main d’œuvre
spécialisée,
- une grande déformabilité du parement lui permettant de supporter sans dommage des
tassements différentiels importants.
Les éléments sont préfabriqués en usine et assemblés sur place, ce qui permet leur
standardisation et un bon contrôle de la qualité.
Le principe de cette technique est simple: créer une liaison permanente entre les deux
constituants (terre et armature) grâce aux efforts de frottement qui se développent aux points
de contact du sol et des armatures. On obtient ainsi un matériau composite original qui offre
de nombreux avantages par rapport aux matériaux traditionnels du génie civil :
- la souplesse qui permet de réaliser des ouvrages fondés directement sur les sols de
fondation compressibles ou sur des pentes peu stables,
- la grande résistance vis-à-vis des efforts statiques et dynamiques,
- la rapidité d’exécution, grâce à l’emploi d’éléments entièrement préfabriqués,
- l’esthétique des ouvrages dont le parement se prête à des traitements architectoniques
variés,
- les économies considérables.
2. Le matériau de remblai
Les matériaux de remblai peuvent être soit des sols naturels, soit des matériaux
d’origine industrielle. Ils ne doivent contenir ni terre végétale, ni matière putrescible (qui peut
pourrir), ni déchets domestiques.
La qualité de ces matériaux répond à des critères bien déterminés. On distingue parmi
ceux-ci :
-6-
- d’une part des critères géotechniques
- d’autre part des critères chimiques ou électrochimiques
Critères géotechniques
Les matériaux de remblai doivent satisfaire à la fois à un critère mécanique (de
frottement et granulométrique) et à un critère de mise en oeuvre.
Pour les ouvrages courants qui ne sont jamais immergés en eau douce ou en eau
saumâtre (eau douce mélangée d’eau de mer), les caractéristiques mécaniques essentielles
sont résumées dans le graphique suivant :
Figure 1: Caractéristiques mécaniques essentielles auxquelles doit satisfaire le matériau de remblai pour être
utilisé en terre armée.
Les matériaux utilisés en terre armée doivent présenter une courbe granulométrique
contenue entièrement dans la zone blanche du graphique ci-dessus.
La dimension des plus gros grains ne doit pas excéder 250mm, compte tenu de la
faible épaisseur des couches (0,33 ou 0,375m en général mais cf partie III). Il convient en
outre de limiter la teneur en eau des matériaux sensibles à l’eau, conformément au Guide pour
les Terrassements Routiers (GTR) afin d’éviter des difficultés lors du compactage.
Notons que pour les matériaux comportant des éléments inférieurs à 15μm, il est
nécessaire de connaître son pourcentage en poids :
- moins de 10% : critère mécanique satisfait : le sol est utilisable en terre armée.
- entre 10 et 20% : sol nécessitant une vérification du critère de frottement (cf ci-
dessous)
- plus de 20% : le matériau est inutilisable en terre armée.
Le critère de frottement est fonction du type d’armatures utilisées. Pour les armatures
à haute adhérence, l’angle de frottement interne mesuré sur le matériau saturé dans des
conditions de cisaillement rapide doit être supérieur ou égal à 25%. Pour les armatures lisses,
-7-
l’angle de frottement sol-armature mesuré dans les mêmes conditions doit être supérieur ou
égal à 22%.
A partir de la classification GTR (cf classification GTR donnée en annexe), il est
possible de distinguer trois catégories de sols suivant leurs possibilités d’utilisation en terre
armée. Ces catégories sont présentées dans le tableau ci-dessous qui constitue un guide pour
le choix des sols en remblai :
Classe de sol d’après la classification GTR Sol utilisable en Sol nécessitant une Sol inutilisable en
terre armée vérification du critère terre armée dans
mécanique son état naturel
Classe A A1m, A1s, A2m, A2s X
(D35%) A1h, A2h, A3, A4 X
Classe B B1, B2m, B2s, B3, X
(D
L’expérience montre que, sauf cas très particulier, les matériaux naturels conformes
aux caractéristiques physiques demandées, satisfont à ces critères chimiques et
électrochimiques. Il convient toutefois de ne pas utiliser de matériaux d’origine marine ou
dragués dans des estuaires en eaux saumâtres, sauf après lavage à l’eau douce.
3. Le parement
Dans les premiers temps, l’équipement de base du parement était un cylindre
métallique à section semi-elliptique, très déformable et stable vis-à-vis des poussées exercées
par le sol de remblai.
Aujourd’hui ce type de parement n’est réservé qu’à la construction d’ouvrages où les
problèmes d’accessibilité et de manutention font préférer des éléments de parements légers.
Le parement métallique a été rapidement remplacé par un parement constitué
d’écailles en béton. L’écaille standard est cruciforme, de 1,50m sur 1,50m. Son épaisseur
actuelle est d’environ 14cm, correspondant à un poids total d’environ 0,8t. Trois types
d’écailles sont aujourd’hui couramment utilisées : les types A4, C4 et C6 (leurs
caractéristiques sont données en annexe). Ces trois types dépendent principalement du mode
d’armement de l’écaille. Pour un mur courant d’une hauteur de 10m, on utilise en général :
- l’écaille de type A4 non armée pour la partie supérieure du mur (sur 6m).
- l’écaille de type C4 ou A6 armée pour la partie inférieure du mur (sur 4m).
Figure 3: Photo d’un mur de soutènement en terre armée sous la ligne de chemin de fer à grande vitesse à
Tokaido au Japon.
Des goujons verticaux assurent la liaison entre les écailles et permettent une bonne
déformabilité horizontale. Des joints horizontaux compressibles sont placés entre les écailles
et donnent au parement une certaine déformabilité verticale. Chaque écaille comprend quatre
amorces d’armatures noyées dans le béton.
Chaque écaille comprend également des angles de levage permettant sa manutention et
sa mise en œuvre. Les écailles sont généralement préfabriquées en usine dans des moules
permettant d’obtenir une bonne régularité de leur dimension.
Le parement en écailles de béton cruciformes est actuellement utilisé pour la grande
majorité des ouvrages. Ce parement offre en particulier de grandes qualités architecturales
(animation de l’élément standard : bossages, nervures …). Il permet de plus de réaliser des
ouvrages avec des courbures continues en plan, qui s’intègrent généralement mieux dans
l’environnement que des ouvrages strictement linéaires. Il assure un bon raccordement avec
les autres ouvrages construits en béton puisqu’il y a alors continuité dans le matériau utilisé.
-9-
Outre le parement en écailles de béton cruciformes, il existe d’autres types de
parement qui peuvent être utilisés suivant des facteurs esthétiques, économiques, pratiques… :
- écailles de béton en T - écailles de béton rectangulaires
- treillis métalliques - en bois
Figure 4 : Photos d’autres types de parement.
4. Les armatures
Les armatures doivent posséder les caractéristiques suivantes :
- avoir une bonne résistance à la traction, une rupture de type non fragile et présenter
peu de fluage,
- avoir une faible déformabilité aux charges de service (quelques pourcentages),
- avoir un bon coefficient de frottement avec le matériau de remblai,
- être suffisamment souples pour ne pas limiter la déformabilité du matériau « terre
armée » et pour permettre une mise en œuvre aisée,
- avoir une bonne durabilité,
- être économiques.
C’est actuellement l’acier doux galvanisé qui répond le mieux, dans les utilisations
courantes, à toutes ces conditions (cf paragraphe II.1 sur la durabilité des ouvrages en terre
armée).
Dans le cas du parement en écailles de béton cruciformes, les armatures en acier doux
galvanisé ont une section de 40x5mm ou de 60x5mm, et leur surface est crénelée pour
améliorer le frottement sol-armature. Elles sont appelées armatures haute adhérence.
- 10 -
5. Mise en œuvre de la terre armée
La mise en œuvre de la terre armée, assimilable à un remblai classique, est rapide et
facile d’exécution.
Figure 5: Schéma de principe de mise en œuvre de la terre armée.
Elle se fait par couches successives :
Montage d’un niveau d’éléments de parement
La première rangée d’écailles est mise en place
sur un béton non armé bien nivelé, de façon à
obtenir un positionnement initial correct. Cette
première rangée d’écailles est directement étayée
sur le sol pour éviter tout déplacement pendant le
remblaiement.
Les écailles des rangées supérieures sont mises en
place au fur et à mesure de l’avancement du
remblai. Leur verticalité est assurée par des cales
provisoires en bois et des serre-joints. Les joints
horizontaux sont assurés par des plots en
élastomère qui sont placés au moment de la pose
(deux par écaille). Les joints verticaux en mousse
sont enfoncés dans les feuillures des écailles avant
remblaiement.
Figure 6: Photo du montage d’un niveau
d’éléments de parement.
Remblaiement d’une couche de sol et éventuellement compactage
- 11 -Figure 7: Photos du remblaiement et du compactage d’une couche de sol.
Les remblais sont réalisés avec les engins de terrassement traditionnels, par couches de
37,5 cm d’épaisseur (en général mais cf partie III), en évitant le passage direct des engins
chenillés sur les armatures et en empêchant les engins lourds de circuler à moins de 1,50 m
des écailles (ce qui pourrait nuire à leur verticalité).
L’opération de compactage, qui a pour but d’empêcher tout tassement ultérieur du
matériau, ne constitue pas une exigence impérative pour certains massifs de soutènement. En
effet, l’épaisseur des couches est relativement faible si bien qu’un compactage suffisant pour
ce type d’ouvrage est obtenu par les seuls engins de transport et de régalage. Cependant, les
ouvrages supportant une superstructure doivent être compactés en distinguant la zone
contiguë au parement sur 1m à 1,50m de largeur d’une part (compactage à l’aide d’un petit
rouleau vibrant), et le cœur du massif d’autre part (compacteur classique).
Pose d’un lit d’armatures et fixation des armatures sur le parement par boulonnage
Les armatures sont posées
par lits espacés de 75 cm (en
général mais cf partie III)
correspondant au double de
l’épaisseur maximale des
couches de remblai (37,5 cm en
général).
Elles sont placées sur le sol
grossièrement nivelé, et
boulonnées aux écailles.
Figure 8: Photo de la pose d’un lit
d’armatures.
Ce montage peut s’effectuer entièrement de l’intérieur du parement, côté remblai, et ne
nécessite ni échafaudage ni emprise extérieure.
- 12 -Le rendement moyen d’une équipe de pose comprenant un chef d’équipe, cinq
hommes et une grue légère avec son conducteur, peut être estimé de la façon suivante :
dans le cas de petits ouvrages d’accès difficiles, à 15 écailles par jour (soit 30 m² par
jour)
dans le cas d’ouvrages de grande longueur d’accès faciles, à 50 écailles par jour (soit
100 m² par jour)
6. Applications
La technique de la terre armée a révolutionné l’art de construire et s’applique à tous les
ouvrages, qu’ils soient routiers, ferroviaires, maritimes et fluviaux, ou bien industriels et de
protection.
Ouvrages routiers
La technique de la terre armée est largement utilisée pour la réalisation de routes et
d’autoroutes. L’application la plus fréquente est la construction de soutènements supportant
des chaussées en terrain dénivelé ou dans les sites urbains.
La rapidité de mise en œuvre de ces procédés, qui ne requièrent qu’une emprise
minimale, réduit considérablement les interruptions de circulation. La souplesse d’utilisation
permet une grande liberté d’implantation. Le parement peut être traité avec une large variété
d’aspects.
Les principales utilisations concernent :
- les murs sous chaussées, simples ou étagés ;
- les culées porteuses et mixtes ;
- les murs de rampes ;
- les talus raidis ;
- les merlons anti-bruit.
Ouvrages ferroviaires
Des massifs de soutènement en terre armée sont utilisés dans de nombreux pays pour
le chemin de fer ou le métro. Ces applications font appel à la même technologie qu’en
infrastructure routière, à l’exception de quelques dispositions constructives spécifiques.
Le dimensionnement des soutènements est adapté pour satisfaire aux exigences
accrues en termes de surcharge et de niveau de sécurité, en particulier pour les ouvrages
ferroviaires des lignes à grande vitesse.
Les structures en terre armée résistent remarquablement bien aux vibrations
engendrées par le passage des rames.
Ouvrages maritimes et fluviaux
Les applications en site fluvial ou maritime sont nombreuses et très variées. Plusieurs
facteurs sont à l’origine de ce choix pour un maître d’œuvre :
- résistance aux sollicitations très sévères telles que les crues, les fortes marées, la houle,
les tempêtes, les efforts de la glace et les chocs divers (bateaux, épaves, etc.) ;
- 13 -- rapidité d’exécution, en particulier pour les travaux effectués en zone de marnage grâce
à l’exécution simultanée de remblais.
La construction de murs de quai en terre armée effectuée entièrement sous l’eau est
possible. La technique a déjà été utilisée avec succès dans plusieurs pays (ports de pêche, …).
Ouvrages industriels et de protection
Les procédés de terre armée ont été sollicités très tôt pour répondre à des besoins
d’aménagement en site industriel. Outre le mur de soutènement classique pour stabiliser des
terrains, des solutions spécifiques ont été développées pour la construction de silos de
stockage de charbon ou de minerai et de murs de déchargement des postes de criblage et de
concassage. On compte aujourd’hui plus d’une centaine de murs de déchargement en service
dans le monde parmi les plus hauts ouvrages en terre armée.
Les applications industrielles présentent plusieurs caractéristiques :
- capacité d’adaptation de la technique qui permet, quels que soient la hauteur et l’aspect
(écaille de béton, peau métallique, parement treillis), de s’accommoder des contraintes
liées aux formes (inclinaison des parois, forme rectiligne ou circulaire);
- résistance aux vibrations (criblage et concassage) ;
- excellente tenue aux variations thermiques.
La terre armée est également idéale pour la réalisation d’ouvrages de protection civils,
militaires ou industriels. Ceux-ci résistent particulièrement bien aux explosions, aux
déversements accidentels ou aux incendies.
Figure 9: Graphique présentant la répartition par types de projet.
- 14 -II. EVOLUTION DE LA TERRE ARMEE : UN PROCEDE
EN EXPANSION MALGRE DES DEBUTS DIFFICILES
Figure 10: Courbe de l’évolution du nombre
cumulé d’ouvrages construits en terre armé de
1968 à 1989.
Après une période initiale de
scepticisme, les premiers ouvrages
significatifs ont été réalisés à partir de
1967.
Les débuts difficiles de ce procédé
ont conduit de nombreux ingénieurs à
effectuer des recherches sur la
durabilité des ouvrages. En effet, la
question du vieillissement des ouvrages
en terre armée est fondamentale car le
phénomène de corrosion est inéluctable
et déterminant.
Par la suite, l’utilisation de la terre armée s’est rapidement développée et a été adoptée
par tous les grands pays industriels. Aujourd’hui, la demande est toujours croissante,
notamment dans les zones sismiques, où l’utilisation de la terre armée s’est révélée très
efficace.
1. La durabilité des ouvrages en terre armée
Des ouvrages en acier centenaires et ne donnant aucun signe de vieillesse, nous en
connaissons tous. Parmi les plus célèbres, on peut citer :
- la Tour Eiffel de Paris
- le « Tower Bridge » de Londres
- le pont de Brooklyn à New York
Tous ces matériaux de construction qui se sont développés au cours du siècle écoulé
font appel à l’acier pour reprendre les efforts de traction : le béton armé, le béton précontraint
et depuis une trentaine d’années la terre armée.
L’acier doit sa faveur à un ensemble unique de qualités: de faibles sections (ténacité)
sont utilisées pour réaliser une structure rigide (module d’Young élevé) qui reste cependant
déformable sous fortes charges et non fragile (ductilité), stable en dimensions (pas de fluage),
résistante à l’usure et à l’abrasion (dureté).
- 15 -Le vieillissement est dû principalement aux phénomènes de corrosion qui, suivant le
type de métal, peut être uniforme ou localisé.
La corrosion uniforme se manifeste par un amincissement régulier et lent de
l’armature, se prêtant bien à une prévision de son évolution dans le temps.
La corrosion localisée se manifeste par des piqûres pouvant provoquer la perforation
des armatures sur des surfaces plus ou moins importantes. Le phénomène et son évolution
sont difficilement prévisibles.
Techniques de protection
Pour assurer la durée de service des structures en acier, on peut les protéger par
différentes techniques afin d’empêcher les agents agressifs de parvenir à la surface de métal:
les revêtements (peinture, revêtements organiques ou minéraux …) qui forment un
écran inerte et étanche autour du métal. Cependant pour des structures enterrées, il est
difficile d’obtenir une protection totale au-delà de quelques dizaines d’années.
la surépaisseur sacrificielle. Elle n’est pas prise en compte dans le calcul de la
structure. Sa consommation est sans conséquence sur la résistance de l’ouvrage. Elle
peut être utilisée seule ou en complément d’un revêtement.
la galvanisation à chaud. Cela consiste à immerger dans un bain de zinc en fusion (à
450°) les éléments en acier dont la surface a été préalablement décapée. Des alliages
fer-zinc de différentes teneurs se forment à la surface de l’acier, la couche extérieure
étant constituée par du zinc pur. L’épaisseur totale du revêtement est supérieure à 80
microns. Ce revêtement supporte, sans aucune perte d’efficacité, les mauvais
traitements qui inévitablement se produisent sur un chantier de travaux publics.
Généralement les armatures en terre armée sont protégées par galvanisation à chaud et
par une surépaisseur d’acier.
Dans les premières années d’exploitation de ce procédé, d’autres types de matériaux
(synthétiques, métalliques …) ont été utilisés, mais ils ont tous finalement donné lieu à des
déboires, parfois dix ans après. Ils avaient pourtant été retenus sur la foi d’expérimentations
sérieuses, mais qui se sont avérées trop brèves et trop simplifiées vis-à-vis de la variété, de la
complexité des conditions d’utilisation, et des longues durées de service requises pour des
ouvrages d’art.
Le choix de l’acier galvanisé s’appuie sur une expérience de très longue date,
largement antérieure déjà au développement de la terre armée. C’est ce que montre
l’ensemble des recherches décrites ci-après. Elles ont également eu pour but d’évaluer les
vitesses de corrosion dans différents sols.
Recherches sur d’anciens ouvrages enterrés
Des recherches sur la corrosion des matériaux enterrés ont été lancées au début du
20ème siècle et poursuivies pendant 45 ans.
Les ouvrages anciens tels que les buses en acier galvanisé, les conduites forcées
enterrées des usines hydro-électriques ainsi que les palplanches et pieux en site terrestre ou
- 16 -maritime, ont fourni des données précieuses pour évaluer l’ordre de grandeur des pertes
d’épaisseur de métal sur de longues périodes.
Il a été ainsi démontré à plusieurs reprises que les pertes moyennes d’un acier
galvanisé étaient environ quatre fois inférieures aux pertes moyennes d’un acier ordinaire.
Recherches en laboratoire
Il est important tout d’abord de rappeler quelques notions fondamentales sur le
mécanisme de protection de l’acier par le zinc.
La corrosion des métaux dans un milieu aqueux
est uniquement de nature électrochimique : les
réactions chimiques entre le métal et le milieu
environnant (électrolyte) libèrent des électrons à
l’endroit où le métal se corrode (anode). Ils circulent
à l’intérieur du métal (courant électrique) et
atteignent des zones (cathode) où ils pourront être
captés lors d’une autre réaction chimique avec le
milieu. A la surface du métal, il se crée ainsi une
multitude de micro-couples anode-cathode.
Figure 11: Schéma d’une pile due à
l’hétérogénéité du métal en surface.
L’intensité du courant électrique issu des surfaces anodiques est une grandeur
directement proportionnelle aux taux de corrosion.
Une autre grandeur caractérise l’aptitude d’un métal à passer en solution : il s’agit de
la différence de potentiel qui s’établit entre ce métal et l’électrolyte. Dans le cas du fer, cette
différence est négative (-0,15V).
Le zinc est plus électro-négatif que le fer (-0,5V), de
sorte que si l’on associe un morceau de zinc et un morceau
de fer et qu’on les plonge dans l’eau, on crée une pile
électrique dont la force électromotrice (de l’ordre de
0,35V) est suffisante pour modifier profondément les
réactions chimique à la surface des éléments. On constate
qu’il n’y a plus aucune dissolution du côté du fer (cathode
de la pile) qui se trouve protégé contre toute corrosion. En
revanche, le zinc se consomme plus rapidement (anode).
Ce phénomène décrit le mécanisme de la protection
cathodique du fer par anode sacrificielle en zinc.
Figure 12: Schéma d’une pile fer-
zinc.
Dans le sol humide qui constitue un électrolyte, la situation est similaire.
L’expérience montre que le comportement d’une armature en acier galvanisé peut se
résumer de la façon suivante :
Seul le zinc est au contact du sol. Il constitue un revêtement parfaitement étanche et
adhérent. L’acier reste donc totalement protégé. Les réactions d’oxydation du zinc
- 17 -forment lentement des produits de corrosion qui restent à la surface de l’armature et
cimentent les grains du sol. L’électrolyte se modifie et la vitesse des réactions
diminue.
Par endroit, le zinc aura totalement disparu en tant que métal et l’acier sera mis à nu.
Or, du fait de la protection cathodique, le fer sera protégé par le zinc adjacent et ne
subira pas de corrosion tant qu’il reste du zinc métal à proximité. La couche du sol
autour de l’armature continue à s’enrichir en composés du zinc et forme une gangue
adhérente.
L’acier commence sa dissolution dans un environnement qui est très différent du sol
de départ mais est constitué par la gangue précédemment décrite. La vitesse de
corrosion est alors beaucoup plus faible que celle que subirait l’acier s’il n’avait pas
été galvanisé. Au cours du temps, cette vitesse de corrosion continuera à se ralentir.
Les durées de ces différentes phases dépendent de l’agressivité du milieu.
Les techniques de l’électrochimie ont pour but de déterminer la valeur des courants de
corrosion, par des méthodes de mesures indirectes. Celles-ci, en résumé, consistent à réaliser,
pendant un court instant à l’époque d’une mesure, une électrolyse en courant continu en se
servant de l’échantillon étudié comme électrode que l’on rendra tantôt anodique, tantôt
cathodique.
Recherches sur ouvrages réels
En matière de corrosion, toute recherche, toute expérimentation ne peut prendre en
compte la totalité des paramètres qui influent sur le phénomène que l’on veut étudier. Seule
l’observation in situ peut sanctionner les essais de laboratoire.
C’est pourquoi, en plus de l’examen des armatures dans les ouvrages anciens, il a été
réalisé des expériences en vraie grandeur. Par exemple, un mur de six mètres de hauteur a été
construit pour étudier les mécanismes de rupture par corrosion des armatures. Ces dernières
étant réalisées en feuillard d’acier doux, de 0,6mm d’épaisseur seulement, travaillant à leur
limite d’élasticité. La corrosion a été accélérée par de l’eau salée percolant à travers le
remblai.
L’évolution de la corrosion a pu être suivie en examinant les tronçons d’armatures
témoins extraits régulièrement de l’ouvrage.
Il était prévu une durée de vie de
six mois. La rupture, qui n’est en fait
intervenue qu’au bout de neuf mois, s’est
produite par glissement suivant une
courbe très proche de la ligne théorique
des tractions maximales dans les
armatures (cf paragraphe sur la
justification vis-à-vis de la stabilité
interne).
Figure 13: Photo de rupture de l’ouvrage expérimental.
- 18 -Cette expérimentation a permis de vérifier les hypothèses concernant l’évolution de la
corrosion des armatures et de confirmer les méthodes de dimensionnement.
Bilan
Aujourd’hui la durabilité de l’acier ne pose plus de problèmes. Les mécanismes de
corrosion sont connus, les techniques de protection ont été éprouvées, la cinétique des
phénomènes a été déterminée dans une grande variété de milieux, en laboratoire, et in situ sur
de très longues périodes.
Pour tenir compte de la corrosion des armatures dans le dimensionnement des
ouvrages en terre armée, le concepteur applique des règles simples adaptées à la fois au site et
à la durée de service souhaitée. L’entrepreneur vérifie de son côté que le remblai qu’il utilise
est bien conforme aux critères qui définissent les sols usuels pour lesquels ces règles ont été
établies. A titre d’exemple, l’administration française recommande les surépaisseurs
sacrificielles et les critères chimiques et électrochimiques rappelés dans les tableaux suivants :
Figure 14: Tableaux des critères chimiques et électrochimiques qui définissent les sols usuels et valeurs requises
pour les épaisseurs sacrifiées (en mm - armatures en acier galvanisé).
Pour les calculs, on utilise une section équivalente Ad:
Ad = N.bd.ed.fc.fm.fv pour les plats (b > 5.en)
Ad = N.π.(dn-es)².fc.fm.fv / 4 pour les ronds
avec :
N : nombre d’éléments par mètre longitudinal de parement
bd : largeur de calcul de l’armature (bd = b- es)
en : épaisseur nominale de l’armature
es : épaisseur réservée (sacrifiée) aux phénomènes de corrosion au total pour les deux faces ou
sur le diamètre
ed : épaisseur de calcul de l’élément de renforcement
fc, fm, fv: coefficients de réduction dépendant des agressions chimiques et mécaniques et du
vieillissement du matériau en lui-même
dn : diamètre nominal des ronds
- 19 -2. Exemples de réparation des ouvrages affectés existants
Les pathologies concernant les murs de soutènement en terre armée sont diverses et
variées (mauvais sol support, …). Néanmoins, le souci majeur concerne le phénomène étudié
précédemment, à savoir la corrosion des armatures métalliques constituant le renforcement de
ces remblais.
En effet, dans les années 1970, il avait été constaté de nombreux cas d’ouvrages pour
lesquels le phénomène de corrosion des armatures mettait en cause la stabilité de l'ouvrage.
Aujourd'hui encore, les ouvrages construits il y a environ 30 ans doivent faire l’objet d’une
surveillance particulière.
Il existe diverses solutions qui permettent d’assurer la stabilité de l’ouvrage lorsque ce
dernier est trop affecté. Le mode de réparation dépend de l’espace dont on dispose devant le
mur.
En effet, si on dispose d’un espace important, on peut renforcer le mur par un remblai
de butée ou bien par un deuxième mur de soutènement (par exemple en T). Si par contre
l’espace devant le mur à réparer est relativement réduit (bordure de route, …), la solution la
plus appropriée consiste à clouer les écailles avec des croisillons.
Renforcement par remblai de butée
Figure 15: Schéma de renforcement par remblai de butée.
Renforcement par mur de soutènement
Figure 16: Schéma de renforcement par mur de soutènement.
- 20 - Renforcement par clouage
Figure 17: Photos du renforcement des murs de soutènement affectés par clouage des écailles.
- 21 -3. Performance des structures en terre armée vis-à-vis des séismes
Chaque année ou presque, un violent tremblement de terre frappe l’un des points du
globe qui ont la malchance d’être situés au bord des fameuses plaques tectoniques ou près des
failles de son écorce.
Lors de ces catastrophes, en quelques secondes, des centaines ou des milliers de
personnes sont victimes de l’écroulement de leur habitation, de leur lieu de travail, ou même
de l’effondrement de tronçons d’ouvrages d’art.
Pourtant, au fil des années, l’application plus rigoureuse des règles de construction
parasismiques permet de réduire l’étendue des dommages et des pertes. Ces règles reposent
sur les concepts de base suivant :
- les structures qui résistent le mieux aux séismes sont celles qui se déforment en
dissipant de l’énergie
- elles sont constituées de matériaux qui résistent à la traction ou au cisaillement et qui
ne sont pas fragiles
- elles ont des formes simples et régulières
- leurs éléments sont étroitement solidaires et constituent des systèmes continus qui
favorisent les redistributions d’efforts.
Les structures en terre armée présentent toutes ces propriétés. Cela explique la faveur
dont elles bénéficient dans les régions exposées aux tremblements de terre et leur excellent
comportement chaque fois qu’elles en ont effectivement subi les effets.
Le comportement de la terre armée face aux sollicitations d’origine sismique a fait (et
fait toujours) l’objet d’études relativement poussées (cf méthode de calcul en annexe).
Cependant, l’auscultation des ouvrages qui ont réellement subi des tremblements de terre est
essentielle car elle constitue la seule véritable confirmation, en vraie grandeur, que leur
conception et leur dimensionnement sont satisfaisants.
Italie le 6 mai 1976 : tremblement de terre de magnitude 6,4
L’épicentre de ce tremblement de
terre se trouvait près de la ville de
Gemona qui a été détruite à 50%. Des
dégâts importants ont été recensés dans
un rayon de 40 km.
Trois ouvrages en terre armée
avaient été construits un ou deux ans
auparavant à des distances de 25 à 40 km
de Gemona.
Ce sont des murs à parement
métallique de hauteur assez modeste (4 à
6m) donc avec des armatures
relativement courtes aucunement
surdimensionnées vis-à-vis de
l’adhérence.
- 22 -Aucun de ces ouvrages n’avait été à l’époque calculé en fonction d’un séisme
éventuel. Aucun n’a montré non plus de signe de désordre après le tremblement de terre.
Figure 18: Photos d’une maison en ruine à Gemona et d’un massif de soutènement à parement métallique près
de Gorizia.
Japon le 25 mai 1983 : tremblement de terre de magnitude 7,7
Ce tremblement de terre a ébranlé
tout le nord de l’île de Honshu. Les
installations portuaires de Akita, en
particulier, ont subi de très gros
dommages. Dans la péninsule de Oga,
beaucoup de routes et d’habitations ont
été mises hors service, à cause de la
liquéfaction des sables limoneux.
Quarante-neuf ouvrages en terre
armée de diverses tailles ont été
recensés et visités dans les semaines
qui ont suivi. Ils ont tous été trouvés en
parfait état, y compris un mur qui avait
subi un tassement par rapport aux
structures sur pieux voisines, comme le
sol et les remblais environnants.
- 23 -Figure 19: Photos d’un mur en terre armée dans la péninsule de Oga et de l’aire de circulation et de stockage
sérieusement endommagée sur le port de Akita.
USA – San franciscco le 17 octobre 1989 : tremblement de terre de magnitude 7,1
Ce séisme a pris naissance à 15 km
de profondeur et il a provoqué des dégâts
jusqu’à 110 km de distance.
Dans toute la région touchée, on a
dénombré et inspecté 20 murs en terre
armée, répartis sur 9 sites et représentant
une surface totale de parement de 20500
m². Aucun n’a subi le moindre dommage.
L’un deux se trouve à Watsonville,
à 11 km de l’épicentre. Il double un mur
du sous-sol d’un centre commercial dont
les superstructures ont été très
endommagées.
Un autre mur est situé à Richmond
(à 10 km du viaduc de l’autoroute 880
dont l’effondrement a été dramatique). Il
est fondé sur les vases molles de la baie,
responsables de la plupart des
destructions dans ce secteur.
- 24 -Figure 20: Photos de maisons écroulées dans le quartier des Marinas à San Francisco et d’un mur en terre
armée à Richmond.
Ces quelques exemples permettent d’illustrer la bonne résistance de la terre armée aux
effets des vibrations, aussi bien répétées qu’accidentelles. De nombreux autres séismes
auraient pu être cités : en Belgique le 8 novembre 1983 (magnitude 5), au Mexique le 19
septembre 1985 (magnitude 8), en Nouvelle Zélande le 2 mars 1987 (magnitude 6,3), en
Turquie à Izmit le 17 août 1999 (magnitude 7,4), …
Partout, l’excellent comportement de la terre armée a confirmé l’adaptation du
matériau, comme la sécurité de la conception et du dimensionnement des ouvrages.
- 25 -III. COMPORTEMENT ET ELEMENTS GENERAUX DE
CONCEPTION D’UN MUR DE SOUTENEMENT EN
TERRE ARMEE
La première et la plus répandue des applications de l’utilisation de la terre armée
consiste à réaliser des massifs de soutènement.
1. Comportement d’un massif de soutènement en terre armée
Le terme de « massif » évoque bien le fait que ce matériau est utilisé pour constituer
un gros bloc régulier et homogène, bien qu’il soit déformable et composite.
C’est le bloc lui-même, lourd et
stable comme le serait un gros mur poids
en maçonnerie (c’est-à-dire où le poids
propre du massif joue un rôle
prépondérant dans la stabilité), qui
soutient le remblai ou le terrain situé
derrière lui.
C’est toujours ce bloc, dans son
ensemble, qui transmet au sol de
fondation, outre son poids, les effets des
surcharges et des poussées, en
répartissant les efforts sur toute la largeur
de sa base.
Figure 21: « Ecorché » d’un massif de soutènement courant
en terre armée.
Les recherches appliquées aux murs de soutènement ont eu plusieurs objectifs :
d’abord étudier le comportement d’un tel massif : analyser comment le poids, les
surcharges, les poussées extérieures se répercutent sur la façon dont les efforts
internes se développent et se transmettent entre le remblai, les armatures et le
parement.
ensuite analyser l’influence sur le comportement de l’ouvrage, et sur la façon dont il
sollicite le sol, de sa géométrie globale, de sa forme, de son élancement …
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