HAL Id: tel-02899528 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02899528 Submitted on 15 Jul 2020 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Influences des matières organiques sur les propriétés physiques et le comportement mécanique des sédiments de dragage en vue d’une valorisation dans les travaux publics Fawzi Hamouche To cite this version: Fawzi Hamouche. Influences des matières organiques sur les propriétés physiques et le comportement mécanique des sédiments de dragage en vue d’une valorisation dans les travaux publics. Génie civil. Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai, 2018. Français. NNT: 2018MTLD0002. tel- 02899528
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Fawzi Hamouche To cite this version - Accueil - TEL
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Submitted on 15 Jul 2020
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Influences des matières organiques sur les propriétésphysiques et le comportement mécanique des sédimentsde dragage en vue d’une valorisation dans les travaux
publicsFawzi Hamouche
To cite this version:Fawzi Hamouche. Influences des matières organiques sur les propriétés physiques et le comportementmécanique des sédiments de dragage en vue d’une valorisation dans les travaux publics. Génie civil.Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai, 2018. Français. �NNT : 2018MTLD0002�. �tel-02899528�
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE LILLE DÉLIVRÉ PAR IMT LILLE DOUAI
Titre de la thèse : « Influences des matières organiques sur les propriétés physiques et le comportement
mécanique des sédiments de dragage en vue d’une valorisation dans les travaux publics »
Soutenue le 22/11/2018 devant le jury d’examen :
Présidente : Nadia SAIYOURI, Professeur, Université de Bordeaux. Rapporteur : Ouali AMIRI, Professeur, Université de Nantes. Rapporteur : Damien RANGEARD, Maitre de conférence HDR, INSA de Rennes. Membre : Nor-Edine ABRIAK, Professeur, IMT Lille Douai. Membre : Vincent PICANDET, Maitre de conférence HDR, Université de Bretagne Sud. Directeur de thèse : Rachid ZENTAR, Professeur, IMT Lille Douai.
Laboratoire d’accueil : Département Génie Civil & Environnemental de IMT Lille Douai.
3
« Dans vingt ans, tu seras plus
déçu par les choses que tu n’auras pas faites que par celles que tu auras accomplies. Alors, largues les amarres, sors du port, attrape les alizés par les voiles. Explore. Rêve. Découvre. »
Mark Twain.
Maktub, Paolo Coelho (1994).
4
5
REMERCIEMENTS
J’exprime ma gratitude à mon directeur et encadrant de thèse, Professeur Rachid ZENTAR
pour la confiance qu’il m’a accordée, de m’avoir encadré et conseillé tout au long de ces années
et surtout pour son investissement permanent et ses encouragements très précieux.
Je remercie Monsieur Alain-Louis SCHMITT, Directeur de l’IMT Lille Douai et Chef du
département Génie Civil et Environnemental, pour m’avoir accueilli dans son laboratoire et mis
à ma disposition les moyens techniques et financiers pour effectuer ce travail.
Je remercie également la Région Hauts-de-France pour son soutien financier.
Je tiens à remercier Nadia SAIYOURI, Professeur à l’Université de Bordeaux, de m’avoir
fait l’honneur de présider le jury de ma thèse. Il me tarde de remercier vivement les Professeurs
Ouali AMIRI et Damien RANGEARD de m’avoir fait l’honneur d’être les rapporteurs de ma
thèse, pour leurs expertises et l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail. Merci également aux
Professeurs Nor-Edine ABRIAK et Vincent PICANDET d’avoir acceptés de prendre part au
jury afin d’évaluer mon travail.
Je remercie toute l’équipe du département Génie Civil et Environnemental de l’IMT Lille
Douai, professeurs, enseignants-chercheurs, doctorants, techniciens pour m’avoir aidé, épaulé,
écouté et conseillé tout au long de ces années. Merci tout particulier au Professeur Mahfoud
Figure 82 : Indice de plasticité en fonction de la teneur en
MO.
160
Chapitre 4
les travaux de Malkawi et al. [71] confirme l’impact neutre de la teneur en MO sur l'indice de
plasticité. Les résultats d'Adejumo [85] ne semblent pas pouvoir étayer la conclusion ci-dessus.
Tableau 44 : Relation entre l’indice de plasticité et la teneur en MO.
3.5. Valeur au bleu de méthylène (NF P94-068) :
Cet essai exprime la quantité de bleu de méthylène absorbée par les particules de chaque
mélange. Pour effectuer cet essai, une prise de 200 g de chaque mélange a été passée au tamis
de 2 mm. Une prise d’échantillon d’environ 60 g de chaque mélange a été diluée dans 500 ml
d’eau distillée puis agitée pendant 5 minutes. Des quantités croissantes de bleu de méthylène
par doses successives ont été introduites, jusqu'à ce que les particules argileuses en soient
saturées : il apparaît alors un début d'excès qui marque la fin de l'essai et que l'on détecte par le
test dit à la tâche. Ce dernier consiste à former, avec une goutte de la suspension et sur du papier
filtre normalisé, une tache qui est un dépôt de sol coloré en bleu soutenu, entouré d'une zone
humide, en général incolore. Les quantités de bleu de méthylène ajoutées aux solutions varient
entre 60 ml et 100 ml. La Figure 83 montre les valeurs au bleu de méthylène. Ces valeurs
résultent d’une moyenne de trois mesures :
Etudes Equation de corrélation R²
Cette étude ( mélanges du sédiment) IP(%) = 0,09 MO (%) + 8,42 0,06
Cette étude ( mélanges d’ASCal) IP(%) = 0,08 MO (%) + 11,29 0,06
Malkawi et al., 1999 [71] IP(%) = - 0,16 MO (%)+ 34,70 0,15
Adejumo, 2012 [85] IP(%) = 0,50 MO (%)+ 17,65 0,98
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 2 4 6 8 10 12 14 16
VB
S (
g/1
00
g d
e M
.S)
Teneur en MO (%)
Mélanges AMélanges S
Mélanges d’ASCal Mélanges du sédiment
Figure 83 : Valeur au bleu de méthylène des mélanges.
161
Chapitre 4
D'après ces résultats, il semble que les valeurs au bleu de méthylène sont légèrement affectées
par la teneur en MO (dans la gamme de la teneur en MO étudiée dans ce travail de recherche).
En effet, les argiles (qui font partie de la composition minéralogique des deux matériaux à
savoir le sédiment et l’ASCal) sont de fins cristaux, de forme hexagonale, constituées de
feuillets chargés négativement (colloïde électronégatif) à leur surface ce qui leur confère un
pouvoir adsorbant des cations (chargés positivement) à leur surface. Les MO à leur tour
déchargent des cations H+ qui viennent se coller sur la surface des feuillets. Les argiles sont très
hydrophiles, c’est-à-dire qu’elles ont la capacité de se lier facilement avec l’eau. Parallèlement,
les MO ont une capacité importante de rétention d’eau, ceci a favorisé la saturation des argiles,
d’où l’augmentation du volume de bleu de méthylène absorbé.
A partir des données illustrées sur la Figure 83, on peut observer que les valeurs au bleu de
méthylène ont été légèrement affectées par l’augmentation de la teneur en MO mais sans avoir
d’impact direct sur la classification des sols selon le GTR (Tableau 45).
Tableau 45 : Classification de l’argile d’un sol selon VBS.
Selon les travaux de Otçu et al. [146], on observe une corrélation positive entre la valeur au
bleu de méthylène et l’indice de plasticité. D’autre part, nous avons observé dans cette étude
que la teneur en MO n’est pas corrélée avec l’indice de plasticité. De ce fait, l’absence d’impact
important de la teneur en MO sur la valeur au bleu de méthylène semble être évident.
Valeurs de VBS Matériaux
VBS ≤ 0,2 Sols sableux (sol insensible à l’eau)
0,2<VBS ≤ 2,5 Sols limoneux ( sol peu plastique et sensible à l’eau)
2,5<VBS ≤ 6 Sols limono-argileux (sol de plasticité moyenne)
6<VBS ≤ 8 Sols argileux
VBS >8 Sols très argileux
162
Chapitre 4
4. Influences des MO sur les caractéristiques mécaniques :
4.1. Essais de compactage et de Portance :
L'utilisation dans le domaine routier de matériaux nécessite une évaluation de leurs
paramètres mécaniques pour vérifier leur adaptabilité pour une utilisation future. Ainsi, on
effectue des essais Proctor, qui permettent de reproduire le compactage du matériau, et vont
déterminer la densité sèche ρd (t/m3) et la teneur en eau optimale WOPN (%). Ces valeurs sont
en rapport avec la compacité optimale, et donc un matériau plus résistant. On associe ce type
d’essai à la mesure de portance, permettant de contrôler la bonne tenue du matériau après la
mise en place, sous le passage des engins de chantier. La campagne d’essais a été réalisée sur
l’ensemble des mélanges du sédiment et d’ASCal (Figure 84). Pour mettre en avant la
variation de ρd en fonction de W (%), cinq (5) échantillons de teneurs en eau différentes (5 %
30 %) de chaque mélange ont été préparés et conservés avant l’essai dans des sacs
hermétiques pendant 24 h. Après avoir attendu 24 h, nous compactons les cinq échantillons
et enregistrons les mesures nécessaires pour tracer la courbe de ρd (t/m3) en fonction de W (%).
Ainsi, la campagne d’essais a été ensuite poursuivie sur l’ensemble des mélanges.
Les résultats de la compagne d’essais Proctor (normal et modifié) sur les mélanges du sédiment
et d’ASCal ont été respectivement présentés sur la Figure 85 (a), la Figure 85 (b), la
Figure 85 (c) et la Figure 85 (d).
Figure 84 : Préparation et compactage des échantillons.
163
Chapitre 4
Sur les Figures 85 (a, b, c, d), on observe que les courbes de compactage sont décalées vers la
droite et vers le bas suivant l’évolution de la teneur en MO des matériaux étudiés. Ce résultat
est confirmé pour les deux types de mélanges et du compactage. En termes de variation de
ρd (t/m3) en fonction de W (%), la même forme de courbe est enregistrée indépendamment de
la quantité de MO contenue dans les échantillons étudiés. On remarque aussi que le coté humide
de toute les courbes de compactage, indépendamment de la teneur en MO et du matériau brut
Figure 85 : (a) Courbes de compactage (Proctor Normal) des mélanges du sédiment ; (b) Courbes de
compactage (Proctor Normal) des mélanges d’ASCal ; (a) Courbes de compactage (Proctor Modifié) des
mélanges du sédiment ; (c) Courbes de compactage (Proctor Modifié) des mélanges d’ASCal.
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
5 10 15 20 25 30 35
ρd
(t/m
3)
W (%)
(a)
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
5 10 15 20 25 30 35
ρd
(t/m
3)
W (%)
(b)
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
5 10 15 20 25 30 35
ρd
(t/m
3)
W (%)
(c)
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
5 10 15 20 25 30 35
ρd
( t/
m3)
W (%)
(d)
164
Chapitre 4
utilisé dans les mélanges, est parallèle aux courbes de saturation (Sr= 100 %) respectives de
chaque mélange. Sur le côté sec des courbes, on observe un effet très important de W (%) sur
ρd (t/m3) pour tous les échantillons compactés, indépendamment de la teneur en MO et du
matériau brut utilisé dans les mélanges. Au vu des courbes de compactage, l’aptitude au
compactage diminuait proportionnellement à l’augmentation de la teneur en MO.
Malkawi et al. [71] ont également observé que les MO ajoutées (compost) au sol argileux
inorganique illitique à huit teneurs en MO (0 % ; 5 % ; 10 % ; 12,5 % ; 15 % ; 17,5 % ; 20 % et
30 % en masse) augmentent considérablement la teneur en eau nécessaire pour le compactage
et diminuent la densité sèche optimale. Une tendance similaire a été observée par Ekwue [81]
sur un autre type de sol (argileux siltieux) avec quatre teneurs en MO (0 % ; 4 % ; 8 % et 12 %
en masse). Sur un sol silico-argileux inorganique, Al-Kifae et Hamad [72] ont également
observé une tendance similaire.
4.1.1. Effets de MO sur la densité sèche et la teneur en eau à l’optimum Proctor (Normal/ Modifié) :
Sur les Figures 86 (a, b), on observe que ρd OPN/OPM (t/m3) décroît avec l'augmentation de
la teneur en MO, tandis que sur la Figure 86 (c, d), on remarque que les valeurs de WOPN/OPM (%)
augmentent avec l'augmentation de la teneur en MO. De ce fait, on peut faire le lien entre ce
qu’il a été observé concernant l’impact des MO sur la limite de liquidité, car cette dernière
augmente avec l’augmentation de la teneur en MO et le fait que l’ajout de MO augmente le
besoin en eau nécessaire pour un compactage idéal. D’après Soane [66], les MO augmentent la
capacité de rétention en eau ce qui explique en conséquence l’augmentation de WOPN/OPM (%)
et WL (%).
On remarque également que l'évolution des caractéristiques de compactage (ρd OPN/OPM ;
WOPN/OPM) est linéaire dans la gamme de teneurs en MO explorées sur les mélanges du sédiment
(5 % 15 %) et de la même façon sur les mélanges d’ASCal entre 1 % et 15 %.
On note que pour une quantité modérée de MO (jusqu'à 8 %), l’évolution de l'énergie du
compactage (Proctor normal/Proctor modifié) engendre une diminution relativement constante
de ρd OPN/OPM pour les mélanges étudiés. Cependant, pour une teneur élevée en MO (>10 %),
les effets de l’évolution de l'énergie du compactage semblent être réduits. Ce dernier résultat
est probablement dû au fait que les MO en excès dans les échantillons, absorbent en partie de
165
Chapitre 4
l'énergie transmise lors du compactage, ce qui limite l'impact de l'énergie du compactage sur la
densité sèche des échantillons.
Les résultats obtenus ci-dessus pour les mélanges du sédiment et les mélanges d’ASCal
pourraient être étayés par différents travaux de recherche. Malkawi et al. [71] ont conclu que
ρd= -0,02 MO + 1,7
R² = 0,99
ρd= -0,03 MO + 1,8
R² = 0,99
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
4 6 8 10 12 14 16
ρd
OP
N/O
PM
(t/
m3)
Teneur en MO (%)
Proctor Normal Proctor Modifié
(a)
ρd = -0,03 MO + 1,9
R² = 0,98
ρd = -0,04 MO + 2,1
R² = 0,99
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
0 2 4 6 8 10 12 14 16
ρd
OP
N/O
PM
(t/
m3)
Teneur en MO (%)
Proctor Normal Proctor Modifié
(b)
WOPM = 0,71 MO + 13,5
R² = 0,97
WOPN = 0,46 MO + 16,3
R² = 0,96
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12 14 16
W O
PN
/OP
M(%
)
Teneur en MO (%)
Proctor Modifié Proctor Normal
(c)
WOPN = 0,58 MO + 13,7
R² = 0,85
WOPM = 0,95 MO + 8,4
R² = 0,96
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12 14 16
W O
PN
/OP
M(%
)
Teneur en MO (%)
Proctor Normal Proctor Modifié
(d)
Mélanges d’ASCal
Mélanges d’ASCal
Mélanges du sédiment
Mélanges du sédiment
Figure 86 : (a) La densité sèche à l’optimum Proctor (Normal et Modifié) en fonction de la teneur en MO pour
les mélanges du sédiment ; (b) La densité sèche à l’optimum Proctor (Normal et Modifié) en fonction de la
teneur en MO pour les mélanges d’ASCal ; (c) La teneur en eau à l’optimum Proctor (Normal et Modifié) en
fonction de la teneur en MO pour les mélanges du sédiment ; (d) La teneur en eau à l’optimum Proctor
(Normal et Modifié) en fonction de la teneur en MO pour les mélanges d’ASCal.
166
Chapitre 4
les particules organiques deviennent rigides lorsqu'elles sont comprimées, mais lorsqu'elles
absorbent l'eau, elles sont molles et spongieuses, ce qui explique la forme des courbes de
compactage pour les échantillons compactés à une teneur en MO plus élevée. Ekwue [81] a
observé que l'addition d’un matériau organique à un sol sableux limoneux et à un sol argileux
réduisait la densité sèche maximale et augmentait la teneur en eau optimale ainsi que les courbes
de compactage du sol argileux présentaient des valeurs plus faibles de densité sèche que le loam
sableux. Zhang et al. [147] ont observé, après l'ajout du compost à trois sols de composition
différente (sable, limon et argile), que l’aptitude au compactage diminuait proportionnellement
à l’augmentation de la teneur en MO.
4.1.2. Effets de MO sur l’indice de Portance Immédiat (IPI) :
En ce qui concerne la portance, l’indice de portance immédiat (IPI) a été mesuré selon la
norme NF P 94 078 sur deux éprouvettes compactées différemment pour chaque type de
mélange (Figure 87). Le premier type d’éprouvette a été compacté selon la méthode décrite
dans l’essai Proctor normal et le second type d’éprouvette a été compacté selon l’essai Proctor
modifié. L’IPI est classiquement mesuré pour évaluer l’aptitude d’un sol ou d’un matériau
artificiel à résister à la circulation des engins de chantier.
La Figure 88 (a, b, c, d) montre les courbes de l’IPI mesuré sur les deux types
d’éprouvettes compactées. En comparant l’allure des courbes, celles-ci sont décalées vers le
bas suivant l’évolution de la teneur en MO des matériaux étudiés. Ce résultat est valide pour
les deux types de mélanges et du compactage.
Figure 87 : Mesure de l’IPI sur un mélange d’ASCal.
167
Chapitre 4
Les valeurs d’IPI à l’optimum Proctor (normal et modifié) des mélanges du sédiment et
d’ASCal sont présentées, respectivement, sur la Figure 89 (a) et la Figure 89 (b). On peut
remarquer que lorsque le mélange du sédiment ou de l’ASCal a une teneur en MO plus
importante (15 %), sa capacité de portance chute de 60 % par rapport à celle du matériau brut
utilisé dans la création des mélanges.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
5 10 15 20 25 30 35
IPI
(%)
W (%)
S S 7,5%S 10% S 12,5%S 15%
(a)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
5 10 15 20 25 30 35
IPI
(%)
W (%)
A A 2.5%A 5% A 7.5%A 10% A 12.5%A 15%
(b)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
5 10 15 20 25 30 35
IPI
(%)
W (%)
S S 7,5%S 10% S 12,5%S 15%
(c)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
5 10 15 20 25 30 35
IPI
(%)
W (%)
A A 2.5% A 5%
A 7.5% A 10% A 12.5%
A 15%
(d)
ASCal
ASCal
Sédiment
Sédiment
Figure 88 : (a) L’IPI à l’optimum Proctor Normal en fonction de la teneur en eau pour les mélanges du
sédiment ; (b) L’IPI à l’optimum Proctor Normal en fonction de la teneur en eau pour les mélanges d’ASCal ;
(c) L’IPI à l’optimum Proctor Modifié en fonction de la teneur en eau pour les mélanges du sédiment ;
(d) L’IPI à l’optimum Proctor Modifié en fonction de la teneur en eau pour les mélanges d’ASCal.
168
Chapitre 4
Sur les éprouvettes compactées suivant l’essai Proctor modifié, on note une diminution
spectaculaire de la capacité portante (environ 80 %) pour l'échantillon de teneur en MO la plus
élevée (15 %) par rapport à celle du matériau brut utilisé dans les mélanges.
La capacité portante d’un matériau dépend fortement de son squelette granulaire et de la façon
dont ses grains se réorganisent lors du compactage.
Le caractère spongieux des particules organiques empêche d’avoir une compacité
optimale, et par conséquent, un matériau moins résistant. Les résultats obtenus permettent
l’observation d’une relation forte entre la capacité de portance et la compacité des matériaux
étudiés (Figure 90).
0
5
10
15
20
25
30
1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4
IPI
à l
'Op
tim
um
Pro
cto
r n
orm
al
( %
)
Densité séche à l'optimum Proctor normal (t/m3)
Figure 90 : IPI (%) en fonction de ρdOPN (t/m3).
IPIOPN (%) = -1,01 MO (%) + 21,5
R² = 0,90
IPIOPM (%) = -2,78 MO (%) + 44,4
R² = 0,94
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20
IPI
OP
N/O
PM
(%)
Teneur en MO(%)
Epouvettes compactées selon le Proctor Normal
Epouvettes compactées selon le Proctor Modifié
IPIOPN (%) = 20,1e-0,14 MO (%)
R² = 0,95
IPIOPM(%) = 24,4e-0,12 MO (%)
R² = 0,99
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20
IPI
OP
N/O
PM
(%
)
Teneur en MO (%)
Epouvettes compactées selon le Proctor Normal
Epouvettes compactées selon le Proctor Modifié
(b) (a)
Figure 89: (a) Indice de portance immédiat à l’optimum Proctor (Normal et Modifié) en fonction de la teneur
en MO pour les mélanges du sédiment ; (b) Indice de portance immédiat à l’optimum Proctor (Normal et
Modifié) en fonction de la teneur en MO pour les mélanges d’ASCal
169
Chapitre 4
4.2. Essais œdométriques :
Pour cet essai, les mêmes étapes de préparation telles qu’effectuées sur le sédiment et
l’ASCal ont été appliquées sur les mélanges du sédiment et les mélanges d’ASCal.
Les paliers de chargement sont les mêmes que ceux appliqués sur le sédiment et l’ASCal :
- Une première phase de chargement, avec des incréments de pression fixés à chaque
palier au double de la pression précédente pour enfin atteindre une contrainte supérieure
à la pression de pré-consolidation estimée à 533 kPa. Les paliers sont donc : 1,8 kPa ;
37,5 kPa ; 75 kPa ;150 kPa ; 300 kPa et 600 kPa ;
- Une phase de décharge, jusqu’à 150 kPa en suivant les mêmes incréments de pression ;
- Un rechargement, avec les mêmes incréments de pression jusqu’à 1200 kPa ;
- Le déchargement jusqu’à 150 kPa en suivant les incréments de pression fixés à chaque
phase, c’est à dire 1200 kPa ; 600 kPa ; 300 kPa et 150 kPa.
La relation entre la contrainte verticale effective (σ'v) et l’indice des vides (e) à la fin de
la consolidation primaire a été tracée pendant les étapes de chargement et de déchargement pour
les mélanges du sédiment et d’ASCal (Figure 91).
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1 10 100 1000 10000
e
σ′v (kPa)
A 10% Raw A
A 5% A 15%
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1 10 100 1000 10000
e
σ′v (kPa)
S 10% Raw S
S 7.5% S 12.5%
S 15%
Sédiment ASCal
Figure 91: (a) Courbes œdométriques pour les mélanges du sédiment ; (b) Courbes œdométriques pour les mélanges d’ASCal.
170
Chapitre 4
D'après la Figure 91, on peut voir que les MO ajoutées au sédiment et à l’ASCal déplacent les
courbes de compressibilité vers des valeurs d’indice des vides plus élevées. De plus, on peut
voir également qu'avec une plus grande quantité de MO, la pente dans le domaine sur consolidé
comme dans le domaine normalement consolidé augmente avec des valeurs croissantes de MO.
4.2.1. Effets de MO sur l’indice des vides :
En ce qui concerne l'évolution de l’indice des vides « e » avec la teneur en MO, la
Figure 92 montre la relation entre les deux paramètres cités ci-dessus. On peut voir que l’indice
des vides augmente avec l'augmentation de la teneur en MO et cela est valable dans les deux
mélanges. La tendance obtenue est bien confirmée par d’autres études similaires. Adejumo [85]
a observé que l’indice des vides initial des sols argileux organiques augmentait avec
l'augmentation de la teneur en MO. Une tendance similaire a été également observée par
Develioglu et Pulat [80] sur un autre type de sol (sols organiques) à quatre niveaux de teneur
en MO (0 % ; 4 % ; 7 % et 11 % en masse).
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ind
ice
des
vid
es
Teneur en MO (%)
Mélanges S
(Develioglu, I., Pulat, H.F., 2017)
(Adejumo, 2012)
Mélanges AMélanges d’ASCal
Mélanges du sédiment
Figure 92: Effet des MO sur l’indice des vides des mélanges du sédiment et d’ASCal.
171
Chapitre 4
4.2.2. Effets de MO sur la pression de pré-consolidation :
Sur la Figure 93, la pression de pré-consolidation estimée à partir des courbes
œdométriques illustrées sur la Figure 91. Comme on peut le voir, la pression de pré-
consolidation diminue avec l'augmentation de la teneur en MO pour les mélanges du sédiment,
tandis qu’une légère stabilité est observée pour les mélanges d’ASCal. Comme évoqué
précédemment dans le chapitre II, l’essai Proctor normal est supposé induire une contrainte de
compression statique égale à 600 kPa, néanmoins la comparaison des résultats obtenus sur la
Figure 93 en termes de pression de pré-consolidation permet de constater que les valeurs
enregistrées sont plus faibles que la contrainte appliquée pendant le compactage. Cette
réduction de la pression de pré-consolidation a déjà été observée dans des essais œdométriques
sur les mâchefers [148]. De ce fait, on peut déduire que l'énergie transmise à l'échantillon est
partiellement absorbée par la déformation récupérable des MO qui induira une diminution de
l'efficacité du processus de compactage.
4.2.3. Effets de MO sur l’indice de compression et l’indice de recompression :
L'indice de compression (Cc) pour chaque échantillon a été mesuré sur la partie linéaire
de la courbe de compressibilité dans le domaine normalement consolidé. L'indice de
40
50
60
70
80
90
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Co
ntr
ait
e d
e P
réco
nso
lid
ati
on
σ'p
(k
Pa
)
Teneur en MO (%)
Mélanges S Mélanges AMélanges d’ASCal Mélanges du sédiment
Figure 93: Effet des MO sur la contrainte de pré consolidation pour les mélanges du sédiment et
d’ASCal.
172
Chapitre 4
recompression (Cs) est mesuré sur la partie linéaire de la courbe de compressibilité dans le
domaine sur-consolidé. L'évolution des valeurs obtenues par rapport à la quantité de MO est
représentée sur la Figure 94 (a) et la Figure 94 (b) respectivement pour l'indice de compression
et l'indice de recompression.
A partir des résultats obtenus, on peut voir que les deux paramètres augmentent avec
l'augmentation de la teneur en MO. Ce résultat est en accord avec les résultats de plusieurs
auteurs [80], [147]. McDonald [145] explique que l’augmentation de la compressibilité est le
résultat de l’augmentation de la capacité de rétention d’eau engendrée par l’ajout des MO, ce
qui permet d’avoir une plus grande mobilité des particules, notamment en ce qui concerne les
plaquettes minérales argileuses.
En termes d'interprétation des valeurs absolues des résultats obtenus, Sowers [149] a classé le
comportement de compressibilité des sols en fonction de l'indice de compression en trois
catégories (Tableau 46).
Tableau 46 : Comportement des sols selon leur indice de compression.
Etat Indice de compression
Légère ou faible compressibilité 0 0,19
Modéré ou intermédiaire 0,20 0,39
Haute compressibilité >0,40
0,1
0,125
0,15
0,175
0,2
0,225
0,25
0,275
0,3
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ind
ice d
e C
om
press
ion
«C
c»
Teneur en MO (%)
Mélanges S Mélanges A
0
0,025
0,05
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ind
ice d
e r
eco
mp
ress
ion
«C
s»
Teneur en MO (%)
Mélanges S Mélanges AMélanges d’ASCal Mélanges du sédiment Mélanges du sédiment Mélanges d’ASCal
(a) (b)
Figure 94: (a) Effet de MO sur l’indice de compression ; (b) Effet de MO sur l’indice de recompression.
173
Chapitre 4
De la Figure 94 (a) et le Tableau 46, il semble que les mélanges du sédiment se répartissent en
deux catégories : de 5 % à 7,5 % de MO, les échantillons sont considérés comme des matériaux
de légère ou faible compressibilité et de 10 % à 15 % de MO, d’une compressibilité modérée
ou intermédiaire. Pour les mélanges d’ASCal, on observe que les échantillons de 1 % à 10 %
sont considérés comme matériaux de légère ou faible compressibilité et l’échantillon d’ASCal
de 15 % de MO comme étant d’une compressibilité modérée ou intermédiaire (Tableau 47).
Tableau 47 : Effet de MO sur le compressibilité des matériaux.
4.3. Résistance au cisaillement :
Les essais à la boîte de Casagrande ont été réalisés à contraintes normales fixées de :
150 kPa ; 300 kPa et 600 kPa, permettant de se placer dans le domaine normalement consolidé.
Les essais ont été réalisés avec une vitesse de déplacement de 0,9 mm/min sur les mélanges du
sédiment et d’ASCal. Avant le cisaillement, les échantillons ont été préparés suivant les mêmes
étapes que pour l’essai œdométrique (Figure 95).
Matériaux Indice de compression Etat
Sédiment 0,162 Légère ou faible compressibilité
S 7,5 % 0,175 Légère ou faible compressibilité
S 10 % 0,21 Modéré ou intermédiaire
S 12,5 % 0,23 Modéré ou intermédiaire
S 15 % 0,29 Modéré ou intermédiaire
ASCal 0,112 Légère ou faible compressibilité
A 5 % 0,137 Légère ou faible compressibilité
A 10 % 0,19 Légère ou faible compressibilité
A 15 % 0,26 Modéré ou intermédiaire
Figure 95: Etapes de préparation des mélanges.
174
Chapitre 4
Le Tableau 48 regroupe les caractéristiques initiales des mélanges avant la réalisation de l’essai.
Tableau 48 : Caractéristiques initiales des mélanges avant la réalisation de l'essai de cisaillement.
La forme des courbes de cisaillement direct est globalement la même pour tous les mélanges
du sédiment et d’ASCal (Figure 96 (a ; b)). Encore une fois, il est à noter que la forme des
courbes de cisaillement correspond à la forme des échantillons normalement sur consolidés
plutôt que sur des échantillons consolidés.
Matériaux Indice des vides initial ρd (t/m3) Sr
Sédiment 0,47 1,55 97,51
S 7,5 % 0,49 1,50 98,74
S 10 % 0,53 1,43 96,13
S 12,5 % 0,58 1,37 98,22
S 15 % 0,69 1,28 97,84
ASCal 0,40 1,78 96,78
A 5 % 0,45 1,60 99,01
A 10 % 0,50 1,49 97,51
A 15 % 0,57 1,32 96,44
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 2 4 6 8 10 12 14
Rési
sta
nce a
u c
isa
iell
em
en
t( M
Pa
)
Déplacement horizontale (mm)
Raw SED 0.15 MPa Raw Sed 0.3 MPaRaw Sed 0.6 MPa S7.5% 0.15 MPaS7.5% 0.30 MPa S7.5% 0.60 MPaS10% 0.15MPa S10% 0.3MPaS10% 0.6 MPa S12.5% 0.15MPaS12.5% 0.3MPa S12.5 0.6MPaS15% 0.15MPa S15% 0.3MPaS15% 0.6MPa
s' = 0.30 MPa
s' = 0.60 MPa
s' = 0.15 MPa
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 2 4 6 8 10 12 14
Rési
sta
nce a
u c
isa
ille
men
t(M
Pa
)
Déplacement horizontale (mm)
A 15% 0.15 MPa A 15% 0.3 MPaA 15% 0.60 MPa Raw A 0.15 MPaRaw A 0.3 MPa Raw A 0.6 MpaA 5% 0.15 MPa A 5% 0.3 MPaA 5% 0.6 MPa A 10% 0.15 MPaA 10% 0.3 MPa A 10% 0.6 MPa
s' = 0.60 MPa
s' = 0.30 MPa
s' = 0.15 MPa
Sédiment Sédiment
Sédiment
ASCal ASCal ASCal
(a) (b)
Figure 96 : (a) Courbes de cisaillement direct pour les mélanges du sédiment ; (b) Courbes de cisaillement direct pour
les mélanges d’ASCal.
175
Chapitre 4
Le graphique de la contrainte de cisaillement par rapport à la contrainte normale effective
correspondant à la rupture est présenté sur la Figure 97 (a) et Figure 97 (b) respectivement pour
les mélanges du sédiment et les mélanges d’ASCal. A partir des résultats obtenus, il semble que
la cohésion effective soit presque égale à zéro.
La variation de l'angle de frottement effectif (φ’) par rapport à la teneur en MO est donnée
à la Figure 98. L'angle de frottement effectif diminue avec des teneurs en MO comprises entre
5 % et 10 %. De 12,5 % de la teneur en MO, nous avons observé une augmentation de l'angle
de frottement. Landva et Pheeney [150] ont conclu que les fibres du sol peuvent produire un
effet de renforcement sur la matrice du sol, augmentant ainsi la résistance au cisaillement du
sol. Un phénomène similaire pourrait être l'explication de l'augmentation de l'angle de
frottement observée dans cette étude.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Rés
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nce
au
cis
ail
lem
ent(
MP
a)
Contrainte verticale effective (MPa)
Raw Sed S7.5% S10% S12.5% S15%
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Rési
sta
nce a
u c
isa
iile
men
t (M
pa
)
Contrainte verticale effective (MPa)
A15% Raw AA5% A10%
ASCal
(c) (d)
Sédiment
Figure 97 : (a) Contrainte de cisaillement en fonction de la contrainte normale effective pour les mélanges
du sédiment ; (b) Contrainte de cisaillement en fonction de la contrainte normale effective pour les
mélanges d’ASCal.
176
Chapitre 4
20
21
22
23
24
25
0 5 10 15 20
An
gle
de f
ro
ttem
en
t in
tern
e (
°)
Teneur en MO (%)
Mélanges S Mélange AMélanges du sédiment Mélanges d’ASCal
Figure 98 : Effet de MO sur l’angle de frottement effectif.
177
Chapitre 4
5. Conclusions du chapitre :
Les travaux de recherche présentés dans ce chapitre, consistent à étudier l’influence des
MO sur les propriétés physiques et le comportement mécanique des sédiments de dragage en
vue d’une valorisation en technique routière.
En se basant sur les travaux antérieurs, les guides d’application et les résultats obtenus, nous
avons effectué sur les mélanges d’ASCal et du sédiment un certain nombre d’essais physiques
et mécaniques, quelques conclusions ont été tirées :
Concernant les essais de limites d’Atterberg, les MO augmentent la limite de plasticité
et la limite de liquidité des mélanges étudiés. Une augmentation de 1 % de teneur en
MO engendre simultanément un accroissement de 2 % à 3 % de la valeur de limite de
liquidité et de limite de plasticité. Quant à l’indice de plasticité, dans les mélanges
étudiés, les MO n’affectent pas leur valeur en raison de la similitude d’impacts des MO
sur les limites de liquidité et de plasticité.
Selon le GTR, l’augmentation modérée des VBS reste sans aucun effet sur la
classification des mélanges étudiés (sols limoneux). Les valeurs mesurées varient entre
1,42 et 1,98. Ces valeurs se retrouvent dans la même classe des matériaux selon le GTR
dont les VBS sont comprises entre 0,2 et 2,5.
Concernant les essais de compactage, l’augmentation du taux des MO de 5 % à 15 %
engendre une diminution de l’aptitude des matériaux au compactage et une perte
d’environ 15 % de la densité sèche à l’optimum Proctor normal et d’environ 20 % de la
densité sèche à l’optimum Proctor modifié du sédiment. On note également que pour
une quantité modérée de MO (jusqu'à 8 %), l’évolution de l'énergie du compactage
(Proctor normal/Proctor modifié) engendre une diminution relativement constante de ρd
OPN/OPM pour les mélanges étudiés. Cependant, pour une teneur élevée en MO (>10 %),
les effets de l’évolution de l'énergie du compactage semblent être réduits. Ce dernier
résultat est probablement dû au fait que les MO en excès dans les échantillons, absorbent
en partie l'énergie transmise lors du compactage, ce qui limite l'impact de l'énergie du
compactage sur la densité sèche des échantillons.
Concernant les essais de portance, l’augmentation de taux de MO de 5 % à 15 % cause
une perte en portance d’environ 60 % pour un sédiment compacté à l’énergie Proctor
normal et d’environ 80 % lorsqu’il est compacté à l’énergie Proctor modifié.
178
Chapitre 4
Néanmoins, même à une teneur en MO équivalente à 12,5 %, les matériaux étudiés
présentent une portance moyenne de 10 ce qui pourrait être acceptable pour certaines
filières de valorisation.
Les essais œdométriques réalisés sur les mélanges du sédiment et d’ASCal, suivant une
méthodologie spécifique de préparation d’échantillons, ont permis d’observer l’impact
des MO sur l’indice des vides, la pression de pré-consolidation, l’indice de compression
et l’indice de recompression. A propos de l’indice des vides, l’augmentation du taux des
MO de 5 % à 15 % engendre un accroissement de l’indice des vides des mélanges
étudiés. Cette augmentation de l’indice des vides est expliquée par le caractère
spongieux des particules organiques incorporées dans les mélanges. Quant à la pression
de pré-consolidation, une réduction spectaculaire de pressions est produite par la
présence des MO dans les mélanges étudiés. En effet, la comparaison des résultats
obtenus en termes de pression de pré-consolidation permet de constater que les valeurs
enregistrées sont plus faibles que la contrainte appliquée dans la méthodologie
spécifique de préparation d’échantillons. De ce fait, on peut déduire que l'énergie
transmise à l'échantillon est partiellement absorbée par la déformation récupérable des
MO qui induira une diminution de l'efficacité du processus de compactage. En ce qui
concerne l’indice de compression et l’indice de recompression, la présence des MO dans
les matériaux étudiés permet de doubler leur aptitude à la compressibilité et au
gonflement pour une teneur en MO allant de 0 % jusqu’à 15 %.
A propos de la résistance au cisaillement, l’étude menée sur les mélanges du sédiment
et d’ASCal a montré que l'angle de frottement effectif augmente avec l’augmentation
du taux des MO entre 0 % et 15 %. Cette augmentation de l’angle de frottement effectif
est expliquée par le fait que les particules organiques peuvent produire un effet de
renforcement sur la matrice du matériau, augmentant ainsi sa résistance au cisaillement.
Au vu des similitudes observées entre les tendances obtenues dans les essais
œdométriques et de cisaillement de cette présente étude et celles obtenues par d’autres
travaux, la méthodologie utilisée pour préparer les échantillons aux essais œdométriques
et aux essais de cisaillement direct semble être adéquate.
Figure 106 : Utilisation de chaux pour stabiliser le pH.
189
Chapitre 5 Il est important de savoir que la présence des MO dans les matériaux induit un besoin en chaux
plus important pour atteindre un niveau de pH donné. La Figure 106 montre que pour un
matériau ayant une teneur en MO de 10 %, la quantité de chaux ajoutée pour stabiliser le pH
est nettement plus important que pour un matériau ayant une teneur en MO moins élevée.
2.2.2. Traitement au ciment :
Comme pour la chaux, le traitement peut également être fait en utilisant les ciments
courants (classes CEM I à V). Leurs caractéristiques sont définies par la norme NF EN 197-1.
Le traitement au ciment permet d’avoir quelques améliorations telles que l’augmentation de la
cohésion des grains du sédiment engendrée par la dissolution des différentes phases du clinker
qui provoque la formation des hydrates à la surface des grains du sédiment [157]. Le traitement
au ciment permet également d’atténuer l’effet de la présence des MO sur la plasticité du
matériau, cette évolution rhéologique revient à la formation d’hydrates, essentiellement les
silicates de calcium hydratés et des aluminates de calcium hydratés [158].
Le traitement à la chaux présente des privilèges dans le traitement des matériaux fins du fait
des coûts. Néanmoins, le ciment présente des avantages techniques d’avoir un effet plus rapide
et de meilleures résistances mécaniques que la chaux.
Les ciments ont été progressivement remplacés par les liants hydrauliques routiers, plus
appropriés aux conditions et aux exigences de mise en œuvre des matériaux de partie supérieure
de terrassement (PST), de remblais et de couches de forme [159].
2.2.3. Calcination :
Cette technique permet à la fois l’élimination directe des MO et les effets engendrés par
leur présence. Or, les procédés cités précédemment s’occupent uniquement d’améliorer un ou
quelques paramètres impactés par la présence des MO dans le matériau. Il est important de
rappeler que cette méthode peut être très énergivore et nécessite des installations sophistiquées
pour le traitement des gaz et doit être parfois associée à des traitements chimiques
complémentaires.
190
Chapitre 5 2.2.4. Etude technique et économique pour le choix de procédé pour réduire ou
éliminer les MO :
Comme mentionné dans l’introduction de ce chapitre, le choix d’une solution par rapport
à une autre peut être motivé par différents critères, on peut citer:
- La filière de valorisation ;
- La quantité de matériau traitée ;
- Les conditions météorologiques ;
- Les propriétés géotechniques initiales et celles souhaités après traitement ;
- Les recommandations des guides ;
- Le coût de traitement.
Sur le plan des coûts engendrés, les sommes exprimées dans la Figure 107 concernent
uniquement les montants d’exploitation directs et non les investissements engagés pour la mise
en œuvre des différentes installations.
Au regard des coûts mentionnés dans la Figure 107, il apparait illusoire d’utiliser le procédé de
calcination uniquement pour éliminer les MO, surtout si un préjudice environnemental n’est
pas à craindre. Dans le cadre de l’étude engagée dans ce travail, les critères environnementaux
pour une valorisation en technique routière (au regard de la règlementation actuelle), s’avèrent
vérifiés.
0 100 200 300 400 500 600
Calcination 450°C
Utilisation de chaux
Utilisation du ciment
Cout HT (€)/t MS
Figure 107 : Coût des procédés de traitement des MO.
191
Chapitre 5 3. Impact du taux des MO sur la classification des sédiments dans une
optique de valorisation dans la technique routière :
Comme évoqué dans le chapitre I, les systèmes de classification des sols ont été instaurés
pour répondre aux besoins des ingénieurs civils en terme de renseignements concernant le
comportement des sols. Ces renseignements sont nécessaires pour pouvoir prendre des
décisions rapides et efficaces, notamment dans le domaine de la construction routière. Les
systèmes des classifications fournissent les moyens de décrire les matériaux à travers leurs
propriétés en les regroupant en catégories. Les matériaux appartenant à la même catégorie,
présentent les mêmes caractéristiques géotechniques ou des caractéristiques très similaires. La
classification des matériaux repose généralement sur les caractéristiques physiques. Les
paramètres les plus souvent utilisés sont la teneur en MO, les limites d’Atterberg et l’analyse
granulométrique.
Les résultats obtenus dans le chapitre IV sur les sédiments et l’ASCal permettent
d’examiner l’impact des MO sur les principaux paramètres physiques nécessaires pour la
classification des matériaux et l’assimilation de leur comportent géotechnique pour un usage
routier.
Nous allons mettre le focus, dans ce qui suit, sur les paramètres clés utilisés par les
principaux systèmes de classification (Américains, International et Français) pour visualiser
l’impact des MO sur la classification des mélanges.
3.1. Les systèmes de classification américains :
Aux États-Unis, l'American Association of State Highway and Transportation Officials
(AASHTO) et l'American Society for Testing Materials (ASTM) sont les principales
organisations qui classent les matériaux. Des systèmes de classification supplémentaires ont été
mis au point par d'autres organisations, par exemple certains ministères de l'État.
3.1.1. Impact des MO sur la classification des mélanges selon l’AASHTO :
L’AASHTO est l'association qui représente les départements de transport de 50 états aux
États-Unis. Elle représente les cinq modes de transport : air, autoroutes, transport en commun,
rail et eau. La classification des mélanges du sédiment et d’ASCal selon les recommandations
de l'AASHTO est basée sur les exigences de construction liées à chaque mode de transport.
192
Chapitre 5 AASHTO M-145 classe les matériaux en 7 catégories, de A1 à A-7, sur la base de l'analyse
granulométrique et les limites d'Atterberg. L’indice de groupe (GI) est utilisé pour évaluer la
qualité d’un matériau. Un GI proche de zéro indique un bon matériau, alors qu’une valeur de
GI égale ou supérieure à 20 indique un matériau très mauvais.
Selon le système de classification américain AASHTO, les différents mélanges sont classés
comme étant des sols argileux (pour les mélanges du sédiment) et limoneux (pour les mélanges
d’ASCal) (Tableau 49). La qualité des sols limoneux-argileux peut varier de médiocre à bonne
dans chaque groupe de classification. Pour plus de détails, le GI est ajouté au symbole de sous-
groupes (Tableau 49) pour indiquer les propriétés plastiques des fines passant au tamis de
0,075 mm (n° 200). En général, plus la valeur du GI est élevée, plus la performance du matériau
analysé est mauvaise pour une utilisation en couche de fondation. A partir du Tableau 49, les
valeurs du GI varient entre 8 11 pour les mélanges du sédiment et entre 6 11 en ce qui concerne
les mélanges d’ASCal. Au vu des valeurs du GI, les mélanges du sédiment et d’ASCal auraient
des performances intermédiaires pour une utilisation en couche de fondation. De ce fait, la
limitation d'utilisation des matériaux peu organiques à organiques dans la construction routière
n’est pas justifiée dans la gamme des teneurs en MO explorée dans cette étude.
Tableau 49 : Classification des mélanges du sédiment et d’ASCal selon le système de classification des sols
AASHTO.
Matériaux WL
(%)
WP
(%)
IP
(%)
Passant à
travers
le tamis
No.10 (%)
Passant à
travers
le tamis
No.40 (%)
Passant à
travers
le tamis
No.200 (%)
GI Classification
S 5 % 29 17 12 100 99.51 79.11 8 A-6 Sol argileux
S 7.5 % 43 32 11 100 99.37 79.03 10 A-7-5 Sol argileux
S 10 % 48 34 14 100 99.24 73.51 11 A-7-5 Sol argileux
S 12.5 % 52 40 12 100 99.04 69.54 10 A-7-5 Sol argileux
S 15 % 62 50 12 100 98.76 66.43 10 A-7-5 Sol argileux
A 1.1 % 28 21 7 100 99.84 98.23 6 A-4 Sol limoneux
A 2.5 % 30 22 8 100 99.07 94.15 7 A-4 Sol limoneux
A 5 % 34 22 12 100 97.87 92.09 11 A-6 Sol argileux
A 7.5 % 38.5 28 10.5 100 97.25 88.39 10 A-4 Sol limoneux
A 10 % 44 35 9 100 96.15 84.71 10 A-5 Sol limoneux
A 12.5 % 49 41 8 100 94.57 80.84 10 A-5 Sol limoneux
A 15 % 54 44 10 100 91.21 77.17 11 A-5 Sol limoneux
193
Chapitre 5 3.1.2. Impact des MO sur la classification des mélanges selon l’ASTM D2487 :
Le système de classification USCS selon ASTM D2487 (American Society for Testing
Materials) classe les sols en fonction de la teneur en MO, la distribution granulométrique et les
limites d'Atterberg (Limite de liquidité et l’indice de plasticité). Les sols organiques et peu
organiques peuvent être classés en sous-catégorie des sols fins si leur distribution
granulométrique le permet (le pourcentage du passant au tamis de 75 µm doit être supérieur ou
égal à 50 %).
Les sols fins sont classés sur le graphe de plasticité en 6 catégories distinctes, sur la base de leur
indice de plasticité et de leur limite de plasticité (Figure 108).
Etant donné que le rapport (𝑊𝐿− 𝑊 )
(𝑊𝐿− 𝑊𝑛 ) est inférieur à 0,75 pour les mélanges du sédiment et
d’ASCal, ces mélanges sont classés selon l’USCS comme étant des sols organiques. Pour les
Figure 108 : Diagramme de plasticité pour la classification selon le système USCS.
194
Chapitre 5 sous-groupes, la classification est faite en s’appuyant sur les caractéristiques physiques (limite
de liquidité et indice de plasticité) obtenues dans le chapitre IV. Les mélanges étudiés sont
classés en sous-groupes comme indiqué ci-après (Figure 108) :
- Les mélanges du sédiment : nous observons que les mélanges du sédiment ayant une
teneur en MO comprise entre 5 % et 10 % sont classés comme étant des sols organiques
peu plastiques (OL). Les mélanges du sédiment ayant une teneur en MO supérieure à
10 % sont classés comme étant des sols organiques fortement plastiques (OH).
- Les mélanges d’ASCal : nous remarquons que la variation de la teneur en MO dans les
mélanges d’ASCal engendre plusieurs changements de catégories. Les mélanges
d’ASCal ayant une teneur en MO inférieure à 3 % sont classés comme étant des sols
limoneux-argileux peu plastiques (CL-ML). Les mélanges d’ASCal ayant une teneur en
MO comprise entre 5 % et 12,5 % sont classés comme étant des sols organiques peu
plastiques (OL), tandis que le mélange d’ASCal ayant une teneur en MO à 15 % est
classé comme étant un sol organique fortement plastique (OH).
A partir du Tableau 50, le système de classification USCS estime que la compressibilité des
mélanges du sédiment est moyenne lorsque leur teneur en MO ne dépasse pas 10 % et devient
forte lorsque leur teneur en MO dépasse 12,5 %. Les essais œdométriques (Figure 95 (a))
effectués sur les mélanges et les travaux de Sowers [149] (Tableau 46) permettent de classer
les mélanges du sédiment selon leur indice de compression. Les mélanges du sédiment se
répartissent en deux catégories: de 5 % à 7,5 % de MO, les échantillons sont considérés comme
des matériaux de légère ou faible compressibilité et de 10 % à 15 % de MO, d’une
compressibilité modérée ou intermédiaire. Quant aux mélanges d’ASCal, le système de
classification USCS estime que leur compressibilité est moyenne lorsque leur teneur en MO est
inférieure ou égale 12,5 % et devient forte lorsque leur teneur en MO est égale à 15 %. Comme
pour les mélanges du sédiment, un état de compressibilité différent (moins important) est
observé à partir des essais œdométriques et les travaux de Sowers [149] (Tableau 46). En effet,
les mélanges d’ASCal ayant une teneur en MO inférieure ou égale à 12,5 % sont considérés
comme matériaux de légère ou faible compressibilité et l’échantillon d’ASCal de 15 % de MO
comme étant d’une compressibilité modérée ou intermédiaire.
195
Chapitre 5 Tableau 50 : Impact des MO sur la classification et l'ouvrabilité des mélanges selon le système de classification
USCS.
En ce qui concerne la résistance au cisaillement, le système de classification USCS estime que
les mélanges ayant une teneur en MO supérieure à 2,5 % ont une faible résistance au
cisaillement, bien que les essais de boite de cisaillement présentés dans le chapitre IV montrent
une augmentation de la résistance au cisaillement. L’USCS estime une faible ouvrabilité dans
la technique routière pour les mélanges ayant une teneur en MO supérieure à 2,5 %.
3.2. Impact des MO sur la classification des mélanges selon le système de classification international (ESCS) :
Le système de classification des sols (ESCS) est également fourni par l'Organisation
internationale de normalisation dans l’ISO 14688-1:2017 et l’ISO 14688-2:2017. Il utilise la
distribution granulométrique et l’indice de plasticité pour classer les sols. Ce système fait une
distinction entre les sols faibles en MO (teneur en MO entre 2 % et 6 %), les sols de teneur en
MO moyenne (teneur en MO entre 6 % et 20 %) et sols riches en MO (teneur en MO supérieure
à 20 %).
Matériaux Catégorie Compressibilité
Résistance
au
cisaillement
Ouvrabilité
dans la
technique
routière
S 5 % OL
Moyenne
Faible Faible
S 7,5 % OL
S 10 % OL
S 12,5 % OH Forte
S 15 % OH
A 1,1 % CL
Moyenne
Acceptable Bonne A 2,5 % CL
A 5 % OL
Faible Faible
A 7,5 % OL
A 10 % OL
A 12,5 % OL
A 15 % OH Forte
196
Chapitre 5
La classification des mélanges issue de ce système (Figure 109) est similaire à celle déterminée
par le système américain USCS avec une spécificité pour le système ESCS concernant les
appellations des sous-groupes (Tableau 51).
Tableau 51 : Classification des mélanges étudiés selon l’USCS et l’ESCS.
Matériaux Classification USCS Classification ESCS
S 5 %
OL
CiL
S 7,5 % SiL
S 10 %
S 12,5 % OH SiH
S 15 %
A 1,1 % CL
CiL A 2,5 %
A 5 %
OL A 7,5 %
SiL A 10 %
A 12,5 %
A 15 % OH SiH
Figure 109 : Classification des mélanges selon le systeme de classification ESCS.
197
Chapitre 5 3.2.1.1. Impact des MO sur la classification des mélanges selon le Guide
Français de Terrassement Routier (GTR) :
Selon le Guide de Terrassement Routier (GTR), les matériaux ayant une teneur en MO
supérieure à 3 % sont classés à part en classe F avec les sous-produits industriels. Cette catégorie
est ensuite divisée en plusieurs sous-catégories selon le taux de MO contenu dans les matériaux,
l’origine et la provenance des matériaux.
Les matériaux ayant une teneur en MO comprise entre 3 % et 10 % sont classés comme étant
F11 et les matériaux ayant une teneur en MO supérieure à 10 % sont classés comme étant F12.
Les mélanges étudiés appartiennent à la classe F et plus particulièrement à la sous-classe F11 et
F12 (Tableau 52).
Tableau 52 : Classification des mélanges selon le GTR.
Du point de vue granulométrique, les deux types de mélanges se classent comme étant des sols
fins, assimilés à la classe « A » dont le diamètre maximal est inférieur à 50 mm et la proportion
de fine (passant à 80 μm) est supérieure à 35 % (Tableau 53).
Tableau 53 : Paramètres physiques des mélanges du sédiment et d’ASCal.
Matériaux S
5%
S
7,5%
S
10%
S
12,5%
S
15%
A
1,1%
A
2,5%
A
5%
A
7,5%
A
10%
A
12,5%
A
15%
Classification
du GTR
selon la
teneur en
MO (%) des
matériaux
F11 F11 F11 F12 F12 F11 F11 F11 F11 F11 F12 F12
Matériaux IP (%) VBS
(g/cm3)
Passant à
80 µm (%)
S 5 % 12 0,93 79,11
S 7,5 % 11 1,09 79,03
S 10 % 14 1,39 73,51
S 12,5 % 12 1,38 69,54
S 15 % 12 1,49 66,43
A 1,1 % 7 1,42 98,23
A 2,5 % 8 1,46 94,15
A 5 % 12 1,59 92,09
A 7,5 % 10.5 1,64 88,39
A 10 % 9 1,79 84,71
A 12,5 % 8 1,93 80,84
A 15 % 10 1,98 77,17
198
Chapitre 5 La sous-classe est déterminée en fonction de l’activité argileuse (VBS) et du caractère plastique
(IP) de la fraction granulométrique de taille inférieure ou égale à 80 µm. Ainsi, il est possible
de classer les mélanges selon leurs paramètres de nature en sous-classes A1F11 (Figure 110).
Les travaux de Limsiri [160] sur les argiles organiques démontrent la possibilité d’utilisation
de ces matériaux dans la technique routière, même si, les principaux systèmes de classification
estiment que l’usage de ces matériaux dans la construction routière n’est pas adaptée au vu de
leurs caractéristiques physiques et mécaniques inappropriées.
4. Impact du taux des MO sur les propriétés mécaniques :
L'ouvrabilité, l'aptitude au compactage et la portance du matériau sont des paramètres très
importants pour étudier l’acceptabilité de ce matériau à être utilisé dans la construction routière.
Les matériaux utilisés dans la construction routière nécessitent l'excavation, le transport, la mise
en place et le compactage. Ces opérations doivent être prises en compte dans la construction
Figure 110 : Classification des mélanges du sédiment et d’ASCal selon le GTR [32].
199
Chapitre 5 routière, ce qui est important pour estimer le coût et le temps requis pour l’opération. La
capacité des engins à fonctionner efficacement et l'effet des éventuels traitements sur les
performances mécaniques du matériau affecte également les coûts.
Comme pour les paramètres physiques, les résultats obtenus dans le chapitre IV permettent
d’examiner l’impact des MO sur les principaux paramètres mécaniques primordiaux pour le
calcul de la portance, le tassement et la résistance au cisaillement.
4.1.1. Impact des MO sur le compactage et la portance :
L'utilisation dans le domaine routier de matériaux nécessite une évaluation de leurs
paramètres mécaniques pour vérifier leur adaptabilité pour une utilisation future. Ainsi, on
effectue des essais Proctor, qui permettent de reproduire le compactage du matériau, et pour
déterminer la densité sèche ρd (t/m3) et la teneur en eau optimale WOPN (%). Ces valeurs sont
en rapport avec la compacité optimale, et donc un matériau plus résistant. On associe ce type
d’essai à la mesure de portance, permettant de contrôler la bonne tenue du matériau après la
mise en place, sous le passage des engins de chantier.
Du point de vue de l’état hydrique, les mélanges du sédiment et d’ASCal sont classés
selon leur indice de Portance Immédiat IPI à l’optimum Proctor normal et leur teneur en eau à
l’OPN (Tableau 54).
Tableau 54 : Paramètres d’état hydrique des mélanges du sédiment et d’ASCal.
Matériaux IPI WOPN
( %)
Sous
classes
S 17 18,62 A1m
S 7,5 % 12 20,18 A1m
S 10 % 10,5 20,74 A1m
S 12,5 % 9 22,40 A1m
S 15 % 7 23,10 A1h
A 7 15,28 A1m
A 2,5 % 8 15,04 A1m
A 5 % 12 16,74 A1m
A 7,5 % 10,5 18,11 A1h
A 10 % 9 18,11 A1h
A 12,5 % 8 19,51 A1h
A 15 % 10 26,66 A1h
200
Chapitre 5 D’après les résultats obtenus des essais de compactage et de portance (Tableau 54) ainsi que le
tableau de classification selon l’état hydrique fourni par le GTR [32], les mélanges sont classés
en deux sous classes A1m et A1h.
- A1h : ces sols sont difficiles à mettre en œuvre en raison de leur portance faible. Ils sont
sujets au matelassage. Le matelassage est à éviter au niveau de l’arase-terrassement
[32] ;
- A1m : ces sols s’emploient facilement mais sont très sensibles aux conditions
météorologiques qui peuvent très rapidement interrompre le chantier à cause d’un excès
de teneur en eau ou au contraire conduire à un matériau sec difficile à compacter [32].
D’après le GTR [32], ces matériaux peuvent être utilisés en remblai sans traitement, ils changent
brutalement de consistance pour de faibles variations de teneur en eau. Le temps de réaction
aux variations de l’environnement hydrique et climatique est relativement court, mais la
perméabilité pouvant varier dans de larges limites selon la granulométrie, la plasticité et la
compacité, le temps de réaction peut tout de même varier assez largement.
Pour une utilisation dans la partie supérieure des terrassements, le GTR préconise un traitement
au liant hydraulique routier.
4.1.2. Impact du taux des MO sur le tassement :
Selon le GTR [32], la présence des MO dans un matériau destiné à la construction d’un
remblai routier présente certaines contraintes directement liées à la compressibilité. Ces
difficultés se présentent sous la forme de tassements et un gonflement latéral ou frontal
indiquant une amorce de rupture du remblai en cours de construction.
Selon les essais œdométriques effectués sur les mélanges du sédiment, l’augmentation du taux
des MO de 7,5 % à 15 % double l’aptitude du sédiment au tassement et un peu moins pour le
gonflement comme illustrée par les valeurs de l’indice de compression ou de l’indice de
gonflement (Tableau 55).
Si on se base sur la pression de pré-consolidation telle que mesurée dans l’essai œdométrique
au laboratoire (on rappelle que cette mesure a été faite après compactage selon la procédure
Proctor normal) jusqu’à une hauteur de l’ordre de 5,5 m, les contraintes verticales dues au poids
du remblai restent inférieures à la pression de pré-consolidation induite par le compactage. De
ce fait, le matériau ne peut subir que des déformations faibles entre son état de contrainte
201
Chapitre 5 actuelle et l’état de consolidation normale. Pour des hauteurs de remblai plus importantes, on
peut se retrouver dans le cas où les contraintes induites par le poids du remblai sont supérieures
à la pression de pré-consolidation produite par le compactage. Dans ce cas, on peut s’attendre
à des tassements dans le domaine normalement consolidé du matériau. Pour évaluer l’impact
des valeurs des indices de compression, un calcul simplifié est réalisé sur la base du remblai tel
que montré sur la Figure 111. Ce remblai à une hauteur de 7 m (ce qu’est déjà un remblai de
hauteur significative) et on suppose qu’il est constitué du même matériau sur toute son épaisseur
et réalisé par compactage de couches successives. Il est à rappeler que l’objectif de ce calcul
est non pas de faire un calcul précis et complexe mais d’évaluer les différences selon les deux
matériaux différents par leurs caractéristiques. Aussi pour l’édification de tels remblais d’autres
configurations plus avantageuses pour limiter les tassements peuvent être préconisées (remblai
en multicouche, renforcement du matériau, …).
Pour le calcul des tassements, nous avons subdivisé le remblai en plusieurs tranches d’un mètre
et considéré que nous n’avons pas d’effet d’une saturation partielle sur les coefficients
introduits dans les calculs.
Sur la base de la configuration du remblai telle que présentée dans la Figure 111 et les
paramètres utilisés du Tableau 55, le tassement prédit pour le cas où le matériau utilisé est le
S 7,5 % est de l’ordre de 0,8 cm et dans le cas du matériau S 15 % est de l’ordre de 1 cm. Cela
montre encore une fois que le taux des MO dans les configurations étudiées a peu d’influence
sur le dimensionnement ou le comportement enregistré du remblai.
Figure 111 : Talus en sédiment de dragage.
202
Chapitre 5 Tableau 55: Tableau de calcul des tassements
4.1.3. Impact du taux des MO sur la résistance au cisaillement :
Plusieurs travaux ont affirmé l’effet des MO sur la résistance au cisaillement pour les sols
ayant une très importante teneur en MO. Dans le cas de notre étude sur les sédiments de dragage,
nous avons observé suite aux essais de boite de cisaillement effectués dans le chapitre IV que
l'angle de frottement effectif diminue avec des teneurs en MO comprises entre 5 % et 10 %.
Au-delà de 10 % de teneur en MO, une augmentation de l'angle de frottement effectif est
observée. Landva et Pheeney [150] ont conclu que les fibres du sol peuvent produire un effet
de renforcement sur la matrice du sol en augmentant ainsi la résistance au cisaillement du sol.
Un phénomène similaire pourrait être l'explication de l'augmentation de l'angle de frottement
observée dans cette étude. A partir des résultats obtenus, il semble que la cohésion effective
soit presque égale à zéro.
Pour étudier l’impact du taux des MO sur la stabilité des talus contre les glissements, nous
allons calculer le coefficient de sécurité Fs. Ce paramètre permet d’apprécier la marge de
sécurité vis-à-vis de la rupture [161].
En se référant aux valeurs du coefficient de sécurité, on peut évaluer l’état de stabilité des talus
comme le montre le Tableau 56 :
Tableau 56 : Equilibre des talus en fonction des valeurs théoriques du coefficient de sécurité [161].
Paramètres S 7,5 % S 15 %
Contrainte de pré consolidation ( kN/m²) 90 80
Indice des vides initial 0,58 0,8
Coefficient de compression 0,175 0,29
Coefficient de recompression 0,02 0,025
Masse volumique absolue des particules solides (t/m3) 2,55 2,43
Contrainte effective à d’état initial ( kN/m²) 91,62 87,88
Contrainte effective à d’état final ( kN/m²) 179,62 175,88
∆h (m) 0,008 0,01
Coefficient de sécurité Etat de l’ouvrage
Fs<1 instable
Fs=1 Stabilité limite
1<Fs<1,25 Sécurité contestable
1,25<Fs<1,4
Sécurité satisfaisante pour les ouvrages peu
importants. Pour les talus des carrières à ciel
ouvert, la sécurité du talus est contestable.
Fs>1,4 Sécurité satisfaisante
203
Chapitre 5 L’impact du taux des MO sur la stabilité des talus est étudié sur un talus de forme géométrique
simple (Figure 112). Le coefficient de sécurité est calculé suivant l’équation suivante :
𝐹𝑠 =tan 𝜑′
𝑡𝑎𝑛 𝛽 Équation 10
Les valeurs du coefficient de sécurité selon les configurations des talus (1/2 ; 1/3 ;1/4) sont
mentionnées sur le Tableau 57.
Tableau 57 : Valeurs du Fs selon le taux des MO et la configuration des talus.
A partir des résultats du Tableau 57, il est possible d’observer que la stabilité des talus n’est
pas satisfaisante qu’à partir d’une configuration de 1/4. Il est noté que l’augmentation des taux
des MO de 5 % jusqu’à 15 % n’affecte pas l’état initial de l’ouvrage.
Matériaux
Fs pour
Talus en
2/1
Fs pour
Talus en
3/2
Fs pour
Talus en
1/1
Fs pour
Talus en
1/2
Fs pour Talus
en 1/3
Fs pour
Talus en 1/4
S 0,23 0,64 0,78 0,88 1,39 1,95
S 7,5 % 0,21 0,58 0,70 0,80 1,25 1,76
S 10 % 0,19 0,54 0,66 0,74 1,17 1,64
S 12,5 % 0,20 0,56 0,69 0,77 1,22 1,71
S 15 % 0,21 0,60 0,71 0,81 1,27 1,80
Etat de
l’ouvrage Instable
Sécurité
contestable
Sécurité
satisfaisante
Figure 112 : Paramètre géométrique d’un talus.
204
Chapitre 5 5. Impact du taux des MO sur la valorisation comme PST ou couche de
fondation :
Le rôle de la structure multicouche de la chaussée est de repartir la pression exercée par
le pneumatique. Elle se compose de trois parties principales (Figure 113) :
- Plate-forme : elle se compose du sol-support ou partie supérieure de terrassement
(PST) surmonté généralement par une couche de forme qui assure pendant les travaux
la protection du sol-support contre la pluie et les effets de cycle gel-dégel, ainsi que
l’assurance d’une bonne qualité du nivellement pour la circulation des engins. Après la
fin des travaux, la couche de forme permet une bonne répartition des caractéristiques
mécaniques des matériaux constituant le sol ou le remblai et d’améliorer la portance à
long terme (Figure 113).
- Corps de chaussée : elle englobe la couche de base et la couche de fondation. Cette
couche assure le rôle de réception des charges produites par le trafic et la transmission
vers la plate-forme afin de maintenir les déformations à un niveau admissible
(Figure 113).
Figure 113 : Différentes couches d'une route.
205
Chapitre 5 - Couche de surface : elle englobe la couche de roulement et éventuellement une couche
de liaison. Cette couche permet transmettre les contraintes vers le corps de chaussée et
sa protection contre les infiltrations des eaux (Figure 113).
5.1. Etude d’acceptabilité des mélanges en PST :
Dans cette partie, nous abordons l’acceptabilité des mélanges du sédiment et d’ASCal
dans la réalisation de la partie supérieure de terrassement (PST) et l’arase des terrassements
(ARj) d’une route. La détermination de la classe de la partie supérieure des terrassements
symbolisée par un numéro n° i (PST) nécessite la connaissance de la classe géotechnique du
sol naturel en place et de son état hydrique si ce dernier est sensible à l’eau [32].
Selon le GTR, seuls les matériaux ayant une teneur en MO inférieure à 10 % sont acceptés pour
être utilisés dans la PST mais au vu de la classification géotechnique et l’état hydrique des
mélanges du sédiment et d’ASCal, ces derniers peuvent être utilisés dans la PST. Le Tableau 58
répertorie les classes de PST :
Tableau 58: Classes de PST
Suivant le Tableau 58, les mélanges du sédiment et d’ASCal peuvent être valorisé en PST selon
deux classes : PST n°1 et PST n°2.
Matériaux IPI WOPN (%) PST n°i
S 17 18,62 PST n°2
S 7,5 % 12 20,18 PST n°2
S 10 % 10,5 20,74 PST n°2
S 12,5 % 9 22,40 PST n°2
S 15 % 7 23,10 PST n°1
A 7 15,28 PST n°2
A 2,5 % 8 15,04 PST n°2
A 5 % 12 16,74 PST n°2
A 7,5 % 10,5 18,11 PST n°1
A 10 % 9 18,11 PST n°1
A 12,5 % 8 19,51 PST n°1
A 15% 10 26,66 PST n°1
206
Chapitre 5 5.2. Etude d’acceptabilité des mélanges en couche de fondation :
Pour être valorisés en couche de fondation, les sédiments doivent satisfaire plusieurs
critères. Selon les recommandations de la norme NF P 98 115, afin d’assurer la circulation
normale des engins sur le chantier, les valeurs souhaitables de l’IPI ne doivent pas être
inférieures à 35 % pour la couche de fondation (Figure 114).
Les valeurs d’IPI obtenues dans le chapitre IV sont illustrées sur le Tableau 59 :
Tableau 59: Valeurs d'IPI pour les mélanges du sédiment
A partir des résultats du Tableau 59 et les recommandations de la norme NF P 98 115
(Figure 114), il est possible d’observer que les mélanges du sédiment en état initial ne
présentent pas les performances mécaniques nécessaires pour qu’ils puissent être utilisés en
couche de fondation. Pour améliorer les propriétés géotechniques, les matériaux doivent être
traités.
Les travaux de recherche menés par Achour [22] montrent la possibilité d’utiliser en
couche de forme un sédiment marin ayant des paramètres physiques et mécaniques similaires à
ceux de S 10% (Tableau 60). A l’issue de cette étude, une route de 550 mètres de longueur et
7 mètres de largeur a été construite à partir des sédiments du GPMD (IPI en état initial= 31).
Matériaux S S 7,5 % S 10 % S 12,5 % S 15 %
IPI 17 12 10,5 9 7
Figure 114 : Critère de l’IPI pour les différentes couches de chaussée [111].
207
Chapitre 5 Tableau 60 : Principaux paramètres du sédiment d’Achour et celui de la présente étude.
Avant l’utilisation du sédiment en couche de forme, il a subi quelques traitements (Figure 115):
- Ajout d’une couche de sable de dragage de 20 cm de l’épaisseur en dessous de la couche
du sédiment marin de 10 cm d’épaisseur.
- Le sédiment et le sable de dragage ont été traités à la chaux à une proportion de 1%
(6 kg/m²).
- Un LHR à une proportion de 6% (36 kg/m3) a été ajouté au trois constituants après les
avoir malaxés.
Propriétés Sédiment de R. Achour [22] Sédiment de notre étude
Grain < 2µm (%) 12 18.87
2µm< grains<63 µm (%) 53 56,74
63 µm <grains (%) 35 24,39
Teneur en MO (%) 9,4 10
Masse volumique absolue (g/cm3) 2,75 2,51
Valeur au bleu de méthylène (g/cm3) 3,7 1,39
Indice de plasticité (%) 32,5 14
Indice de portance immédiat 31 15
Figure 115 : Structure de la chaussée à base du sédiment marin.
1/3 Sédiment marin
+
2/3 Sable de dragage
Couche de base (6cm)
Couche de roulement (5cm)
Cou
che
de
fon
dati
on
Traitement à la chaux +
Malaxage +
Traitement à 6% du
LHR +
Malaxage
30 cm
208
Chapitre 5 Pour améliorer la portance des mélanges du sédiment, nous optons pour un traitement (chaux +
LHR) similaire à celui utilisé dans l’étude d’Achour [22] et un système en multicouche
ressemblant à celui utilisé dans les travaux de Limsiri [160] sur les sols argileux très organiques.
La Figure 116 illustre la disposition de la chaussée contenant une couche de fondation en
mélange du sédiment. Cette disposition permet de compenser l’affaiblissement de la portance
engendré par la présence des MO.
Figure 116 : Disposition de la chaussée contenant une couche de
fondation en mélange du sédiment.
209
Chapitre 5 6. Conclusion du chapitre:
Dans ce chapitre, nous avons développé une approche opérationnelle de valorisation des
sédiments ayant une teneur en MO plus importante que celle recommandée par les guides
routiers, ainsi que la qualification précise des solutions proposées de traitement et d’utilisation.
Ce travail a permis de tirer plusieurs conclusions :
- Les teneurs limites de MO dans les matériaux routiers ne sont pas les mêmes pour tous
les différents systèmes de classification.
- Selon les différents systèmes de classification explorés dans cette étude, les matériaux
étudiés se classent dans des catégories très similaires indépendamment du taux de MO
(dans la gamme des valeurs explorées dans cette étude).
- D’après la classification GTR, les matériaux de l’étude peuvent être utilisés en remblai
sans traitement.
- Selon le système de classification AASHTO, l’augmentation de la teneur en MO des
mélanges n’a pas d’effet sur leur classification.
- Selon les deux systèmes de classification USCS et ESCS, l’augmentation de la teneur
en MO engendre des changements dans la classification des matériaux de l’étude mais
ils restent utilisables dans quelques filières routières sans traitement.
- La présence des MO dans les sédiments engendre des tassements très faibles, dans les
configurations de remblais envisagés, en comparaison à d’autres matériaux.
- En raison de l’impact très modérée des MO sur les angles de frottement des matériaux
et des cohésions, la stabilité des talus n’est que très peu voire non affectée.
- Pour une utilisation en couche de fondation ou de formes, des études récentes ont montré
que le caractère organique des sédiments utilisés dans des formulations adaptées,
n’affecté pas les propriétés d’usage. Des chantiers à l’échelle réelle ont été menés avec
succès.
210
Chapitre 5
211
CONCLUSIONS GÉNÉRALES ET PERSPECTIVES
La présente étude a été réalisée dans le but de déterminer l’impact des matières organiques
sur les propriétés physiques et le comportement mécanique des sédiments de dragage, ainsi que
la pertinence des essais de caractérisation des matières organiques et, enfin, pour développer
une approche opérationnelle de valorisation des sédiments dans la construction routière, en
abordant l’impact du taux des matières organiques sur la classification des matériaux et l’étude
de certaines variantes dans le cycle de valorisation.
L’état de l’art (chapitre I) entrepris sur les matières organiques dans les sédiments amène
à conclure que la composition physico-chimique des matières organiques est très complexe et
variée. La composition des matières organiques dépend essentiellement de l’origine, du type,
du taux de minéralisation et d’humification ainsi que de la multiplicité d’interaction entre
matières organiques et différents composants des sédiments.
Les matières organiques présentes dans les sols, les déchets et les sédiments (en particulier)
sont ainsi très hétérogènes et complexes. Cette variabilité s’observe bien évidemment entre
deux sédiments différents par leur type (marins et fluviaux), mais également sur le même
sédiment. Ce qui rend très complexe la caractérisation des matières organiques dans les
sédiments. De plus, l’état de l’art entrepris sur la caractérisation des matières organiques dans
les sols ou les sédiments a conduit à la classification des essais en deux familles : Essais
thermiques et essais chimiques.
En ce qui concerne le choix des matériaux de l’étude, un travail de recherche a été fait pour
regrouper les principales méthodologies utilisées dans la littérature scientifique en fonction des
besoins de notre étude.
A l’issue de la pré-étude présentée au début du chapitre II concernant la méthodologie
utilisée pour le choix des matériaux de l’étude, la méthode d’amendement semble avoir des
qualités très intéressantes en ce qui concerne la reconstitution de grandes quantités
d’échantillons et la maitrise de leur teneur en matières organiques. Par ailleurs, la
caractérisation physique a montré que le sédiment et l’ASCal sont des sols limoneux, au vu de
leur granulométrie et leur VBS comprise entre (0,2 et 2,5). Les essais de limites d’Atterberg ont
montré que le sédiment et l’ASCal sont des matériaux peu plastiques. Les résultats obtenus dans
cette partie de caractérisation a permis de classer les matériaux selon leur granulométrie, leur
212
activité argileuse (VBS) et leur caractère plastique (IP), Ainsi, le sédiment est classé en sous
classe A1F11 et l’ASCal en classe A1. En ce qui concerne le comportement mécanique des
matériaux de l’étude, le sédiment et l’ASCal présentent une capacité de portance relativement
correcte au vu des valeurs recommandées par le GTR ce qui permet de les classer
respectivement en sous classe A1F11 et A1. A partir des résultats d’essai œdométrique, il est
possible d’observer le caractère compressible du sédiment et d’ASCal.
L’évaluation de l’impact environnemental a été réalisé par l’essai de lixiviation en se référant à
la norme NF EN 12457-2. En analysant les résultats obtenus en fonction des conditions
d’admission, on constate que les valeurs du sédiment ne dépassent pas les seuils du niveau 1
définis par le guide d’acceptabilité des matériaux alternatifs en technique routières. Pour les
limites à respecter pour une utilisation en technique routière, les résultats sont inférieurs aux
seuils.
Concernant les essais de caractérisation des matières organiques, les résultats obtenus des
essais thermiques et chimiques varient du simple au triple et rendent le choix d’une méthode de
caractérisation des matières organiques plus difficile. Toutefois, les méthodes thermiques ont
l'avantage d'être plus rapides que la plupart des autres méthodes et sont facilement adaptées
pour analyser un grand nombre d'échantillons en même temps. Néanmoins, les méthodes
thermiques sont également largement influençables par deux paramètres essentiels : le temps et
la température de calcination. Les résultats (variables et différents) obtenus dans les méthodes
chimiques, montrent cette extrême difficulté d’identification des matières organiques. L’agent
oxydant semble avoir un rôle important et représente l’une des causes de cette variabilité des
résultats. D’autre part, la teneur en matières organiques du matériau analysé peut également
représenter un facteur de variabilité de ces méthodes, en effet, lorsque le matériau est riche en
matières organiques, l’agent oxydant, dans certaine méthode, n’est pas capable de détruire
toutes les matières organiques contenues dans le matériau, cela concerne à titre d’exemple la
méthode d’oxydation à l’eau oxygénée ou encore la méthode de Walkley Black. De plus, le
type des matières organiques, le degré d’évolution des matières organiques et la liaison entre la
phase organique et la phase minérale peuvent jouer un rôle très important lors du traitement par
méthodes chimiques.
Au vu des résultats obtenus des différents essais et le domaine d’application visé par cette étude,
l’essai thermique de calcination à 450 °C (selon la norme XP P94-047) semble être l’essai le
plus adapté aux attentes des chercheurs et des industriels.
213
En ce qui concerne les effets des matières organiques sur les propriétés physiques, les
résultats obtenus des principaux essais physiques présentés dans le chapitre IV permettent de
tirer un certain nombre de conclusions : les matières organiques augmentent simultanément la
limite de plasticité et la limite de liquidité des mélanges étudiés. Quant à l’indice de plasticité,
dans les mélanges étudiés, les matières organiques n’affectent pas leur valeur en raison de la
similitude d’impacts des matières organiques sur les limites de liquidité et de plasticité. Pour le
VBS, une augmentation modérée est engendrée par la présence des matières organiques dans
les mélanges étudiés. Cette augmentation des VBS reste sans aucun effet sur la classification
des mélanges étudiés.
A propos des effets des matières organiques sur le comportement mécanique des mélanges
étudiés, les résultats des essais de compactage, de portance, les essais œdométriques et les essais
de cisaillement présentés dans le chapitre IV permettent de tirer un certain nombre de
conclusions : l’augmentation de taux de matières organiques de 5 % à 15 % cause une perte en
portance d’environ 60 % pour un sédiment compacté à l’énergie Proctor normal et d’environ
80 % lorsqu’il est compacté à l’énergie Proctor modifié. Néanmoins, même à une teneur en
matières organiques équivalente à 12,5%, les matériaux étudiés présentent une portance
moyenne de 10 ce qui pourrait être acceptable pour certaines filières de valorisation. Pour les
essais œdométriques réalisés sur les mélanges du sédiments et d’ASCal, suivant une
méthodologie spécifique de préparation d’échantillons, l’augmentation du taux des matières
organiques de 5 % à 15 % engendre un accroissement de l’indice des vides des mélanges
étudiés. Cette augmentation de l’indice des vides est expliquée par le caractère spongieux des
particules organiques incorporées dans les mélanges. Quant à la pression de pré-consolidation,
une réduction spectaculaire de pressions est produite par la présence des matières organiques
dans les mélanges étudiés. En effet, la comparaison des résultats obtenus en termes de pression
de pré-consolidation permet de constater que les valeurs enregistrées sont plus faibles que la
contrainte appliquée dans la méthodologie spécifique de préparation d’échantillons. De ce fait,
on peut déduire que l'énergie transmise à l'échantillon est partiellement absorbée par la
déformation récupérable des matières organiques qui induira une diminution de l'efficacité du
processus de compactage. En ce qui concerne l’indice de compression et l’indice de
recompression, la présence des matières organiques dans les matériaux étudiés permet de
doubler leur aptitude à la compressibilité et au gonflement pour une teneur en matières
organiques allant de 0 % jusqu’à 15 %. Enfin, pour la résistance au cisaillement, l’étude menée
sur les mélanges du sédiment et d’ASCal a montré l'angle de frottement effectif augmente avec
214
l’augmentation du taux des matières organiques entre 0 % et 15 %. Cette augmentation de
l’angle de frottement effectif est expliquée par le fait que les particules organiques peuvent
produire un effet de renforcement sur la matrice du matériau, augmentant ainsi sa résistance au
cisaillement.
Dans le chapitre V, nous avons développé une approche opérationnelle de valorisation
des sédiments ayant une teneur en matières organiques plus importante que celle recommandée
par les guides routiers, ainsi que la qualification précise des solutions proposées de traitement
et d’utilisation. Ce travail a permis de tirer plusieurs conclusions notamment de l’impact des
matières organiques sur la classification des mélanges étudies car selon les différents systèmes
de classification explorés dans cette étude, les matériaux étudiés se classent dans des catégories
très similaires indépendamment du taux des matières organiques (dans la gamme des valeurs
explorées dans cette étude) et peuvent être utilisés en remblai sans traitement. Dans la filière de
valorisation remblai, la présence des matières organiques dans les sédiments engendre des
tassements très faibles. De plus, la présence des matières organiques dans les mélanges étudié
cause un impact très modéré sur les angles de frottement effectifs, les cohésions et par
conséquent la stabilité des talus qui n’est que très peu voire non affectée. Pour les autres filières
de valorisation dans le domaine routier telles que les couches de fondation ou de forme, des
études récentes ont montré que le caractère organique des sédiments utilisés dans des
formulations adaptées, n’affecté pas les propriétés d’usage. Des chantiers à l’échelle réelle ont
été menés avec succès.
A partir de ce travail, nous avons déterminé les impacts du taux des matières organiques
sur les propriétés physiques et le comportement mécanique des sédiments de dragage, ainsi que
l’influence de la teneur en matières organiques sur le classification et l’acceptabilité des
matériaux étudiés dans les différentes filières de la construction routière. A ce stade, d’autres
débouchés s’ouvrent en donnant les perspectives ci-dessous :
Les conclusions tirées du bilan des essais thermiques et chimiques de caractérisation
des matières organiques nous ont permises de distinguer les disparités des résultats entre
les méthodes en terme du taux des matières organiques. Les méthodes thermiques sont
fortement influencées par la température et la durée de calcination, ainsi que les
méthodes chimiques par l’efficacité du l’agent oxydant. A ce stade de l’étude, il est
nécessaire d’explorer encore plus les disparités des résultats et analyser les taux des
matières organiques à des températures de calcination inférieures à 400 °C.
215
Pour aller plus loin dans la compréhension des effets engendrés par la présence des
matières organiques dans les sédiments, il est important d’analyser l’impact de chaque
composant des matières organiques (acides humiques, acides fulvique) sur les propriétés
physiques et le comportement mécanique des sédiments et établir un bilan spécifique
des essais de caractérisation de ces composants.
Pour optimiser les résultats obtenus dans cette étude, l’analyse de l’aspect de durabilité
et du vieillissement des matières organiques dans les différentes filières du domaine
routier est très importante. Cette étude permettra d’appréhender les variations d’impacts
sur les propriétés physiques et mécanique qui pourraient être engendrées par le
vieillissement des matières organiques dans le temps.
Finalement, établir un projet de route avec des sédiments de dragage ayant une teneur
en matières organiques supérieure à 3 % en assurant l’analyse des effets sur les
principaux propriétés physiques (limites d’atterberg, VBS, …), les effets sur le
comportement mécanique (tassement, stabilité, …), l’aspect de durabilité et le
vieillissement des matières organiques dans les sédiments.
216
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NORMES
NBN 589-207 § 3. 1969. Essais des sables de construction – Teneur en matières organiques -
§3 – Procédé de laboratoire à l’eau oxygénée.
NF EN 197-1. Avril 2012. Ciment - Partie 1 : composition, spécifications et critères de
conformité des ciments courants.
NF EN 12457-2. Décembre 2002. Caractérisation des déchets - Lixiviation - Essai de
conformité pour lixiviation des déchets fragmentés et des boues - Partie 2 : essai en bâchée
unique avec un rapport liquide-solide de 10 l/kg et une granularité inférieure à 4 mm (sans ou
avec réduction de la granularité).
NF EN 15169. Mai 2007. Caractérisation des déchets - Détermination de la perte au feu des
déchets, des boues et des sédiments.
NF EN 15933. Mai 2005. Qualité du sol : Détermination du pH.
NF EN 1744-1+A1. Février 2014 Essais visant à déterminer les propriétés chimiques des
granulats - Partie 1 : analyse chimique.
NF EN ISO 18757. Juin 2006. Céramiques techniques - Détermination de la surface spécifique
(aire massique) des poudres céramiques par adsorption de gaz à l'aide de la méthode BET.
NF ISO 10694. Juin 1995. Qualité du sol - Dosage du carbone organique et du carbone total
après combustion sèche (analyse élémentaire).
NF ISO 13320-1. Septembre 2000. Analyse granulométrique. Méthodes par diffraction laser.
Partie 1 : principes généraux.
NF ISO 14235. Septembre 1998. Qualité du sol. Dosage du carbone organique par oxydation
sulfochromique.
NF P94-050. Octobre 1991. Sol : reconnaissance et essais – Détermination de la teneur en eau
pondérale des sols – méthode par étuvage.
225
NF P94-051. Mars 1993. Sol : reconnaissance et essais – Détermination des limites
d’Atterberg– limite de liquidité à la coupelle – limite de plasticité au rouleau.
NF P94-054. Octobre 1991. Sols : reconnaissance et essais – Détermination de la masse
volumique des particules solides des sols.
NF P94-055. Décembre 1993. Sols : reconnaissance et essais - Détermination de la teneur
pondérale en matières organiques d'un sol - Méthode chimique.
NF P94-068. Novembre 1993. Sol : reconnaissance et essais – mesure de la quantité et de
l’activité de la fraction argileuse – détermination de la valeur au bleu de méthylène d’un sol par
l’essai à la tâche.
NF P94-071-1. Août 1994. Sols : reconnaissance et essais - Essai de cisaillement rectiligne à la
boîte - Partie 1 : cisaillement direct.
NF P94-078. Décembre 1992. Indice CBR après immersion, indice CBR immédiat, indice
portant immédiat, mesure sur échantillon compacté dans le moule CBR.
NF P94-093. Décembre 1993. Détermination des caractéristiques de compactage d’un sol :
essai Proctor normal, essai Proctor modifié.
XP CEN/TS 15937. Juin 2013. Boues, biodéchets traités et sols - Détermination de la
conductivité électrique spécifique.
XP P94-090-1. Décembre 1997. Sols : reconnaissance et essais - Essai œdométrique - Partie 1:
essai de compressibilité sur matériaux fins quasi saturés avec chargement par paliers.
XP P94-047. Décembre 1998. Sol : reconnaissance et essais –Détermination de la teneur
pondérale des matières organiques des sols - Méthode par calcination.
226
ANNEXES
Annexe 1 : Classification des sols et des mélanges sol-agrégat [94]
Classification
générale
Matériaux ( ≤ 35 % de passant au tamis de
75 µm)
Matériaux (> 35 % de
passant au tamis de
75 µm)
Catégorie A-1
A-3
A-2
A-4 A-5 A-6
A-7
Sous catégorie A-1-
a
A-1-
b
A-
2-4
A-
2-5
A-
2-6
A-
2-7
A-7-
5,
A-7-
6
Analyse
granulométrique:
passant (%)
2 mm (No.10) 50
max
425 µm ( No.40) 30
max
50
max
51
min
75 µm (No. 200) 15
max
25
max
10
max
35
max
35
max
35
max
35
max
36
min
36
min
36
min
36
min
Caractéristiques du
passant à 425 µm
Limite de liquidité 40
max
41
min
40
max
41
min
40
max
41
min
40
max
41
min
Indice de plasticité 6 max 10
max
10
max
11
min
11
min
10
max
10
max
11
min
11
min
Type de
constituant
important du
matériau
Fragments
de pierre,
gravier et
sable
Sable
fin
Gravier ou sable
limoneux ou argileux
sols
limoneux
Sols
argileux
Notation générale
en tant que
fondation
Excellent à bien Passable à pauvre
227
Annexe 2 : Tableau de classification des matériaux selon le système de classification USCS [96]
Critères d'attribution de symboles de groupe et de noms de groupes à l'aide de tests de
laboratoire
Classification des sols
Symbole
du groupe
Nom de
groupe
SOLS GROSSISÉS
Plus de 50 % retenus sur
le No.200 Sieve
Gravels
Plus de 50 % de la
fraction grossière
retenues sur le tamis
No.4 ( 4.76 mm)
Gravier
propre
Moins de 5 %
de fines
Cu ≥ 4 et 1 ≤ Cc ≤ 3 GW Gravier
bien calibré
Cu < 4 et/ou Cc < 1 or Cc
> 3 GP
Gravier mal
classé
Gravier avec
poussière
Plus de 12 %
de fines
Sols classés comme as
ML (limon peu
plastique) ou MH
( limon fortement
plastique)
GM gravier
limoneux
Sols classés comme
CL( Argile peu
plastique) ou CH ( argile
fortement organique)
GC Gravier
argileux
Sables
50 % ou plus de la
fraction grossière
passe à travers le
tamis No.4 (
4.76 mm)
Sables
propres
Moins de 5 %
de fines
Cu ≥ 6 and 1 ≤ Cc ≤ 3 SW Sable bien
calibré
Cu < 6 et /ou Cc < 1 or
Cc > 3 SP
Sable mal
calibré
Sables avec
fines
Plus de 12 %
de fines
Sols fins classé comme
ML (limon peu
plastique) ou MH
( limon fortement
plastique)
SM Sable
limoneux
Sols fins classés comme
CL ( argile peu
plastique) ou CH
( Argile fortement
plastique)
SC Sable
argileux
SOLS À GRAINS FINS
50 % ou plus de la
fraction grossière passe
à travers le tamis no.
200 (75 µm)
Limon et argile
Limite de liquidité <
50 %
Inorganique
IP > 7 et en dessus de la
ligne "A" CL
Peu
Argileux
IP < 4 et en dessous de la
ligne "A" ML Limon
Organique
Limite liquide-séchée à
l’étuve <0.75 OL
Argile
organique
Limite de liquide - non
séchée OL
Limon
organique
Limon et argile
Limite de liquidité ≥
50 %
Inorganique
IP en dessus de la ligne
"A" CH
Fortement
Argileux
IP en dessous de la ligne
"A" MH
Limon
élastique
Organique
Limite liquide-séchée à
l’étuve < 0.75 OH
Argile
organique
Limite de liquide - non
séchée OH
Limon
organique
SOLS TRÈS ORGANIQUES PT Tourbe
228
COMMUNICATIONS ET PUBLICATIONS
Communications dans des congrès nationaux et internationaux avec comités de sélection et actes
F. HAMOUCHE, R. ZENTAR, Caractérisation des Matières Organiques dans le sédiment de