Etude des pathologies des bétons de parois moulées : cas du shadowing

“Shadowing pathologies” of diaphragm wall concretes

• Auteur / Autrice : Maria Kmeid
• Direction : Géraldine Casaux-Ginestet, Gilles Escadeillas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 07/09/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMDC - Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de Toulouse - Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions / LMDC
• Jury : Président / Présidente : Abdelhafid Khelidj
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julie Armengaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Pantet, Sébastien Rémond

Mots clés

Mots clés contrôlés

Travaux publics

Béton armé

Estampage (travail des métaux)

Mots clés libres

Pathologies de Shadowing

Matriçage/Matelassage

Fondations

Paroi moulée

Béton armé

Travaux publics

Shadowing Pathologies

Matressing

Deep foundations

Diaphragm wall

Reinforced concrete

Public Works

Résumé

En raison de la densification des villes, la construction d'infrastructures souterraines telles que les parkings et les stations de métro est nécessaire pour remplir certaines fonctionnalités durables (déplacement). C'est dans cette optique qu'a été développée depuis maintenant 70 ans une technique de fondation profonde connue sous le nom de parois moulées, qui consiste à construire un mur de soutènement en béton armé pour soutenir les pressions latérales et servant d'élément de fondation pour transférer les charges au sol. Cette technique de construction permet de réaliser des ouvrages dans presque tous les types de sol et dans des conditions de site variées avec une perturbation de l'environnement qui reste relativement mineure.Le processus de construction diffère des ouvrages de génie civil habituels car il combine plusieurs opérations successives avec plusieurs matériaux comme l’utilisation d’une suspension de bentonite pendant la phase de forage, la mise en place du ferraillage et le bétonnage. Ces travaux nécessitent la mise en œuvre de procédures complexes qui peuvent être à l'origine de multiples défauts et provoquer l'apparition de certaines imperfections. Parmi ces imperfections, les pathologies de « shadowing » constituent l'objet de cette étude. Les pathologies de shadowing, également appelées matelassage par l'European Federation of Foundation Contractors et le Deep Foundation Institute, sont des irrégularités observées de manière récurrente sur le béton durci : ces désordres se composent principalement par des tracés linéaires entrecroisés émanant des armatures verticales et horizontales et formant des vides dans le bloc de béton. Dans certains cas, des parties importantes d’armatures sont directement exposées à l'air libre et exigent une reprise en sous œuvre entrainant des coûts supplémentaires importants pour assurer l’esthétique et la durabilité de l’ouvrage. Plusieurs études ont déjà abordé le sujet mais le problème n'a pas encore été résolu. L'objectif principal de ce projet de recherche, réalisé dans le cadre d’une convention CIFRE avec la société NGE et soutenu par la FNTP, est de déterminer les causes des pathologies de shadowing sur les bétons des parois moulées profondes. Après avoir examiné les résultats préliminaires de la littérature scientifique, le travail a commencé par définir a priori certains facteurs susceptibles d'affecter l'apparition de ces anomalies. Une première campagne expérimentale a permis d'étudier les composants des fondations profondes selon trois approches différentes : les matériaux, les techniques et les interactions. Ainsi, des facteurs tels que la perméabilité du sol, la pollution du fluide stabilisateur, la consistance du béton ou la configuration des armatures d'un panneau de paroi moulée ont été testés selon deux niveaux expérimentaux. Les résultats obtenus lors de ces campagnes expérimentales ont permis d'identifier plusieurs causes potentielles d’anomalies et de proposer des recommandations sur les propriétés des matériaux et les techniques de fondation.Le problème a aussi été abordé en utilisant des méthodes statistiques spécifiques pour l'analyse des données en se basant sur l'interprétation d'enquêtes rétrospectives sur plusieurs chantiers de parois moulées et l'analyse de plus de 300 panneaux. Cette étude statistique a permis d'identifier d'autres facteurs influençant la pathologie.Enfin, une modélisation numérique utilisant le logiciel COMSOL Multiphysics a été établie afin d’étudier les principaux facteurs conditionnant l'apparition des imperfections. Cette dernière approche s’appuie sur l'écoulement du béton dans une suspension de bentonite en fonction des propriétés rhéologiques des deux matériaux et des configurations des panneaux.

Due to the densification of cities, the construction of underground infrastructures such as parking lots and subway stations is necessary to fulfill certain sustainable functions (transportation). It is in this perspective that a deep foundation technique known as diaphragm walls has been developed over the past 70 years, which consists of building a reinforced concrete retaining wall to support lateral pressures and serve as a foundation element to transfer loads to the ground. This construction technique allows structures to be built in almost any soil type and in a variety of site conditions with relatively minor environmental disturbance.The construction process differs from usual civil engineering works because it combines several successive operations with several materials such as the use of a bentonite suspension during the drilling phase, the installation of the reinforcement and the concreting. These works require the implementation of complex procedures which can be the cause of multiple defects and cause the appearance of certain imperfections. Among these imperfections, the shadowing pathologies are the subject of this study. Shadowing pathologies, also called mattressing by the European Federation of Foundation Contractors and the Deep Foundation Institute, are irregularities observed in a recurrent way on the hardened concrete: these disorders are mainly composed of intersecting linear lines emanating from vertical and horizontal reinforcements and forming voids in the concrete block. In some cases, important parts of the reinforcement are directly exposed to the air and require repair works on the structure, which entails important additional costs to ensure the aesthetics and the durability of the structure. Several studies have already dealt with this issue, but the problem has not yet been resolved.The main objective of this research project, carried out within the framework of a CIFRE agreement with the company NGE Fondations and supported by the FNTP, is to determine the causes of shadowing pathologies on deep cast concrete walls. Upon investigating the preliminary findings of the scientific literature, the work began by defining certain factors likely to affect the appearance of these anomalies. A first experimental campaign allowed to study the components of deep foundations according to three different approaches: materials, techniques, and interactions. Thus, factors such as soil permeability, pollution of the stabilizing fluid, concrete consistency, or the configuration of the reinforcement of a cast wall panel were tested according to two experimental levels. The results obtained during these experimental campaigns allowed to identify several potential causes of anomalies and to propose recommendations on material properties and foundation techniques.The problem was also addressed by using specific statistical methods for data analysis based on the interpretation of retrospective surveys of several diaphragm wall sites and the analysis of over 300 panels. This statistical study allowed the identification of other factors influencing the pathology.Finally, a numerical model using the COMSOL Multiphysics software was established in order to study the main factors conditioning the appearance of imperfections. The latter approach is based on the flow of concrete in a bentonite suspension as a function of the rheological properties of the two materials and the panel configurations.