Avant propos
La nécessité d'utiliser des terrains médiocres[1] [1] pour les constructions de génie civil n'a fait que croître au cours de ces dernières décennies. D'une part le développement impose de réaliser dans les zones de terrains en place non encore construite, qui sont souvent les plus médiocres, des fondations, des grandes excavations, des tunnels...etc. D'autre part le sol est devenu de plus en plus un matériau de construction que l'on cherche, où les raisons souvent économiques nous conduisent à utiliser des sols de qualité médiocre dont il faudra les améliorer. Il en résulte le développement d'un très grand nombre de techniques destinées au renforcement[3] et à l'amélioration[4] des caractéristiques mécaniques globales des sols en place ou apportés d'ailleurs. Nous pouvons donc distinguer deux grandes catégories de techniques à savoir: celles où la structure du sol est améliorée par des additif minéral[5], un liant hydraulique[2] [2], ou modifie par réduction des vides entre les grains. Il y a aussi celles où l'on place dans le sol des éléments structuraux pour augmenter principalement la résistance mécanique: ce sont des techniques de renforcement des sols.
La technique du traitement[6] [6] ou de stabilisation[7] des sols à la chaux[8] est connue de longue date (elle a été utilisée dans la réalisation de nombreux ouvrages tels que la Muraille de Chine, les chaussées romaines, etc.). Le traitement des sols au ciment est quant à lui plus récent puisque la fabrication du ciment remonte aux environs de 1830. Le traitement des sols est apparu en Belgique dans les années 1960 (programme autoroutier). L'apparition des liants hydrauliques routiers remonte aux années 1980. Le sol supporte les fondations d'ouvrages, sert comme matériaux de construction (barrages, remblai), peut comporter des ouvrages souterrains (tunnels), reçoit des matériaux à stocker (déchets industriels et nucléaires) et sert à extraire des minéraux et autres ressources de production de l'énergie et des matériaux. Il est donc très important de se renseigner des caractéristiques des mauvais sols (principalement les sols argileux et organiques qui sont la cause d'instabilité des structures projetées) pour qu'on puisse les améliorer ( Schlosser 1997[9]).
D'ailleurs, les argiles sont des roches sédimentaires à grains fins, de taille inférieure à 5μm, composées pour une large part de minéraux spécifiques, silicates en général, d'aluminium plus ou moins hydratés, qui présentent une structure feuilletée qui explique leur plasticité, ou bien une structure fibreuse qui explique leurs qualités d'absorption. Elles absorbent l'eau et forment une pâte imperméable (perméabilité inférieure à 0.2 mm/h), appelée couramment terre glaise, coloriée par des oxydes de fer en ocre, rouge, vert. Les argiles peuvent être gonflantes, notamment celles de la famille des montmorillonites[10] lorsqu'elles absorbent de l'eau et, au contraire, diminuer de volume sous l'effet de la sécheresse. Par ailleurs, sous l'effet d'une charge, par exemple celle d'une construction, une partie de l'eau absorbée contenue entre les grains d'argile est chassée, ce qui a pour conséquence de provoquer un tassement sensible du sol. Les argiles constituent en général une assise acceptable lorsqu'elles sont recouvertes par d'autres couches de terrain. En revanche, elles sont dangereuses lorsqu'elles affleurent au niveau du sol, du fait de leur instabilité, se traduisant par des variations de volume et un fluage dans les terrains en pente. En outre, les limons (constitués principalement de silt) possèdent un squelette siliceux à silico-calcaire à grains fins. Leur taille est située entre celle des sables et celle des argiles; mais sa teneur en argile est variable. Ils sont peu perméables. Cependant, les marnes sont à la fois argileuses et calcareuses. On considère, selon le taux de CaCO3, trois grandes catégories à savoir (i) les marnes argileuses qui contiennent 5 à 35% de carbonate de calcium (CaCO3) ; (ii) les marnes proprement dites contenant 35 à 65% de CaCO3 et (iii) les calcaires marneux qui possèdent 65 à 95% de CaCO3. Comme pour les argiles, les marnes argileuses présentent notamment l'inconvénient de se fissurer sur une certaine profondeur en cas de sécheresse. Les marnes ont souvent fait l'objet d'exploitation en carrières à ciel ouvert où en souterrain pour donner respectivement de la chaux avec les marnes argileuses, de la chaux hydraulique avec les marnes proprement dites et du ciment avec les marnes calcaires ou calcaires marneux. D'une façon générale, les marnes sont une assise de fondations très bonne en l'absence du gypse[11]. En revanche, elles sont médiocres, voire dangereuses, lorsqu'elles sont très argileuses en affleurement ou lorsqu'elles se situent au-dessus d'une masse de gypse, avec risque de formation de Karsts. Aussi, les marnes sont des roches relativement tendres, elles subissent une géodynamique très active à leur surface et leur fragilité les rend très vulnérables aux aléas de la nature ( Gadouri 2017[12]). Une attention particulière doit être prise en compte dans les cas des sols organiques, qu'ils soient naturels (tourbes, vases, argiles très molles) ou anthropiques (zones de déchets organiques) car ces sols sont très compressibles et ne peuvent pas être traités dans la plupart des cas.
Nous pouvons conclure que l'évolution des sols fins est dus à la présence des minéraux argileux dans les sols tels que : les marnes, les argiles...etc., qui manifestent une grande sensibilité à l'air (retrait, fissuration désagrégation progressive des couches de sols) et une forte affinité à l'adsorption de l'eau (gonflement, dé-consolidation, perte des caractéristiques mécaniques). En effet, le traitement des sols permet d'utiliser des sols qui, dans leur état naturel, ne peuvent être mis en œuvre (difficultés de réaliser des travaux de terrassement, problèmes de circulation des véhicules, difficulté d'obtention d'une compacité suffisante) et évite ainsi le recours à des solutions coûteuses (mise en décharge de terres excavées et apport de matériaux de remplacement).
Selon le centre de recherches routières (CRR), les avantages du recyclage des sols se situent à trois niveaux ( CRR 2009[13]) :
Environnemental : réduction des nuisances associées au transport des matériaux, réduction des zones de dépôt des matériaux et préservation des matériaux naturels ;
Économique : réduction des distances de transport et des coûts qui y sont liés ;
Technique : les performances des sols traités sont excellentes, ce qui permet, dans certains cas, de diminuer l'épaisseur des couches à mettre en œuvre.