Consolidation des sols par injections de résine expansive

    Guide de conception - Seconde Édition

    La deuxième édition de l'ouvrage «Consolidation des sols par résines expansives. Guide de conception», rédigé par les professeurs Mario Manassero et Andrea Dominijanni, enseignants en géotechnique au Politecnico di Torino, constitue une référence fondamentale pour le cadrage théorique et la modélisation des interventions de consolidation par injection de résines polyuréthanes expansives.

    Les principaux compléments de cette deuxième édition portent sur le système d'injection à tubes multi-orifices, le logiciel de calcul des interventions de consolidation par résines expansives et le système d'ancrage des bâtiments.

    Objectifs et contenu : de l'approche empirique au modèle théorique

    Le guide est né dans le cadre d'un projet de recherche mené conjointement par Uretek et le Politecnico di Torino. L'objectif premier de la publication est de dépasser les approches purement empiriques qui ont longtemps caractérisé la conception des techniques d'injection de fluides dans le sous-sol. L'ouvrage vise à délaborer un premier cadre théorique général pour la modélisation analytique et numérique de cette technique, en schématisant l'interaction entre les injections, le sol et les éventuelles superstructures, à la lumière des principes de la mécanique des milieux poreux et granulaires.

    Les interventions de consolidation par résines expansives s'inscrivent dans les tendances constructives actuelles : peu invasives, souples d'emploi, à faible impact environnemental et à faible consommation énergétique, en particulier en phase d'exécution.

    Par ailleurs, la sauvegarde, la remise en état et la conservation des constructions existantes constituent des enjeux de première actualité, en particulier en contexte urbain, où le patrimoine bâti ancien présente fréquemment des désordres au niveau des fondations et du sous-sol.

    Ce qu'apporte la deuxième édition du guide

    La deuxième édition apporte des mises à jour significatives par rapport à la première, avec une attention particulière portée à l'intégration de nouvelles technologies développées pour accroître l'efficacité des interventions et à l'usage d'outils de calcul avancés. Ces mises à jour portent sur trois domaines distincts.

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    Multipoint : le système d'injection à tubes multi-orifices

    La deuxième édition intègre le système d'injection à tubes multi-orifices. Ce système innovant, breveté par Uretek (brevet européen EP 3 821 079 B1), permet de réaliser un traitement colonnaire mieux maîtrisé. Les tubes, dont le nombre et le diamètre des orifices sont variables, permettent de :

    • Répartir l'injection en fonction de la réponse en déformation des différentes couches de sol traversées.
    • Concentrer le traitement dans les couches les plus compressibles.
    • Optimiser les consommations et les performances de l'injection.

    Le chapitre 6 est consacré à l'analyse numérique de ces développements technologiques, avec les résultats d'essais d'injection à l'air libre sur différents schémas de percement des tubes multi-orifices.

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    Uretek S.I.M.S. 2.0 : le logiciel de calcul des interventions

    Le guide intègre un chapitre entier consacré à la présentation et à l'utilisation des logiciels de calcul (chapitre 9). Il répond ainsi pleinement à l'objectif du projet de recherche : fournir un outil de modélisation théorique.

    Ce chapitre expose la méthodologie de calcul implémentée dans un code numérique (script Matlab) fondé sur la théorie de l'expansion de cavité, applicable aussi bien à un modèle de milieu infini (injections isolées) qu'à un modèle de milieu fini (simulation d'une maille d'injections confinées).

    Les quatre scripts de calcul principaux (deux de dimensionnement, deux de vérification) sont détaillés, ainsi que leurs données d'entrée et de sortie, y compris la gestion des paramètres géotechniques. Une attention particulière est portée à la vérification au soulèvement et à la vérification à la fracturation, déterminantes pour la sécurité et l'efficacité du traitement, en particulier dans les sols fins.

    La mise à disposition conjointe de ces outils opérationnels et théoriques marque le passage d'une approche empirique à une approche fondée sur les principes de la mécanique des sols.

    Pour en savoir plus, cliquez ici.

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    Les systèmes d'ancrage : contenir le soulèvement du terrain naturel

    Autre nouveauté importante : la mise à jour relative aux systèmes d'ancrage des bâtiments. Cette technologie (Uretek, brevet italien n° 102017000037754) repose sur la mise en place de tirants solidarisés au bâtiment.

    L'objectif est d'accroître la réaction verticale opposée par le bâtiment au soulèvement potentiel du terrain naturel induit par l'expansion de la résine. En augmentant ce confinement, il devient possible d'injecter des quantités de résine plus importantes et d'obtenir ainsi un effet de compactage plus élevé du sol de fondation.

    Les analyses numériques démontrent l'efficacité de ces ancrages pour contenir le soulèvement en surface.

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    Les thématiques du guide de conception

    Propriétés physiques et mécaniques des résines polyuréthanes expansives

    Ces résines se distinguent par leur capacité à développer spontanément, à la suite de la réaction exothermique de synthèse (entre polyol et isocyanate), une pression de gonflement significative lorsque l'expansion volumique se produit dans un volume confiné.
    Pour les résines Uretek Geoplus, cette pression peut atteindre des valeurs de l'ordre de 10 000 kPa (10 MPa).

    Dans un sol, le processus d'expansion se poursuit jusqu'à l'atteinte d'une condition d'équilibre des contraintes. Cet équilibre est établi lorsque la pression de gonflement de la résine — qui décroît à mesure que l'expansion augmente et que la densité finale diminue — égale la contrainte radiale de confinement (ou contrainte moyenne de confinement) mobilisée par le sol environnant.

    La schématisation théorique de l'injection de résine expansive dépend de façon déterminante de la granulométrie du sol traité. En effet, le comportement de la résine est sensiblement différent selon qu'elle est injectée dans des sols grenus ou dans des sols fins.

    Injection en sols grenus : la théorie de l'expansion de cavité

    Dans les sols grenus (sable moyen à grossier, gravier), la conductivité hydraulique élevée permet un effet initial de perméation de la résine à l'état liquide dans les pores du sol. Ce processus conduit à la formation d'un bulbe de sol traité.
    L'expansion volumique du bulbe, en phase de solidification, induit ensuite le compactage et la densification du sol environnant.

    L'approche théorique de référence est ici la théorie de l'expansion de cavité. Elle analyse l'expansion d'une cavité cylindrique ou sphérique au sein d'un milieu élasto-plastique et permet de schématiser l'expansion du bulbe jusqu'à l'équilibre entre la pression de gonflement de la résine et la contrainte de confinement mobilisée par le sol environnant. Pour les sols grenus, les analyses sont généralement menées en conditions drainées, en supposant une dissipation rapide des surpressions interstitielles générées par l'expansion.

    Injection en sols fins : la mécanique de la rupture

    Dans les sols fins (sables fins, limons et argiles), la résine ne peut pas pénétrer dans les pores : sous l'effet de la pression élevée développée spontanément en phase de gonflement, son expansion provoque la formation de fractures dans le matériau environnant. La direction de ces fractures (sub-verticale ou sub-horizontale) est conditionnée par l'état de contraintes initial du sol.

    L'approche théorique fait ici appel aux concepts de la mécanique de la rupture dans les milieux élasto-plastiques. Compte tenu de la faible conductivité hydraulique de ces sols, l'expansion de la résine en conditions saturées se produit typiquement en conditions non drainées, avec formation de surpressions interstitielles. Cela impose généralement une analyse en contraintes totales à court terme. L'objectif principal est ici la reprise des tassements par la formation de fractures sub-horizontales, dont l'ouverture entraîne le relevage de la fondation et des superstructures.

    Les chapitres de l'ouvrage, de la théorie au risque de liquéfaction

    L'ouvrage couvre chaque étape de la compréhension et de la conception de l'intervention :

    • Les propriétés physiques et mécaniques des résines polyuréthanes (chapitre 1).
    • Les domaines d'application : remplissage de cavités, réduction de la conductivité hydraulique, allègement, amélioration des propriétés mécaniques et relevage de fondations (chapitre 2).
    • Les différents types d'injections et les comparaisons avec les techniques traditionnelles (chapitre 3).
    • La modélisation théorique, qui diffère selon la granulométrie du sol : la théorie de l'expansion de cavité s'applique aux sols grenus, où l'on observe compactage et densification autour du bulbe injecté ; la mécanique de la rupture s'applique aux sols fins, où les fractures sont induites pour permettre le relevage (chapitre 4).
    • L'application de modèles numériques, indispensables pour des analyses précises tenant compte des effets de bord et des conditions de plastification (chapitre 5).
    • L'évaluation du risque de liquéfaction et les interventions de mitigation par résines (chapitre 7).