Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2010 -Grenoble 7-9 juillet 2010

BILAN CARBONE ET TERRASSEMENT D’UNE AUTOROUTE SUR CAVITES POTENTIELLES AVEC GEOTEXTILE DE RENFORCEMENT

CARBON FOOTPRINT AND EARTHWORKS FOR A MOTORWAY BUILT ON POTENTIAL SINKHOLES AND REINFORCED WITH GEOTEXTILE

Germain AURAY1, Patrick CARCIN2 1 Texinov, La Tour du Pin, France 2 Egis géotechnique, Seyssins, France

RÉSUMÉ – L’autoroute E20 entre les villes de Kukruse et Jõhvi en Estonie est une zone à risques d’effondrements. Cet article présente un comparatif entre le chantier réalisé avec géotextile de renforcement et l’étude d’une solution d’injection. On identifie les gains apportés par la solution géosynthétique en termes de matériaux mis en œuvre ainsi que dans une approche bilan carbone® des 2 solutions.

ABSTRACT – E20 motorway section between Kukruse and Jõhvi in Estonia is a potential sinkholes area. This paper compares the solution of a reinforcing geosynthetic layer installed on site and a design of traditional injections. It shows the gains of the geotextile solution in term of materials installation and the carbon footprint of the geotextile compare to injections.

1. Présentation du projet

L’autoroute E20 est une voie importante pour les transports entre le nord-ouest et

le nord-est de l’Europe. Le but est de sécuriser les conditions de trafic et améliorer la qualité de la route et de l’environnement des usagers, figure 1.

Figure 1. Situation du projet. Le maître d’ouvrage est l’administration publique estonienne qui est entourée de

son bureau d’étude public Technical Center of EstRoads (AS Teede Tehnokeskus) et du bureau d’étude privé SEIB Ingenieur – Consult Gmbh & Co.KG. La construction

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est réalisée par un groupement de 4 entreprises estoniennes : AS Teede Rev-2, AS Tref and AS K-Most et AS Talter (leader du projet).

En terme de sécurité, le projet comprend notamment des voies d’insertions, des dispositifs de retenu centraux, des voies pédestres et cyclables, un trafic de transports en commun. Le projet prévoit une limitation de l’impact environnemental avec des collecteurs d’eau pluviale, merlons antibruit, contournement des villages et villes avoisinantes, plantation et préservation de la faune et la flore locale.

Pour la section de 7,3 km long entre Kukruse et Jõhvi, les remblais et ouvrages d’art doivent être sécurisés à cause d’anciennes galeries minières en sous sol. Les remblais sont donc réalisés sur un géotextile de renforcement spécifique et les ouvrages d’art sont fondés sur des pieux, avec des injections de comblement.

Cette section représente environ 440000 m² de géotextile haute résistance. C’est un chantier exceptionnel du fait de cette quantité et du niveau de renforcement, à savoir 1350 kN/m en polyester haute ténacité en sens production. Le chantier doit se terminer en automne 2010.

2. Contexte géotechnique L’extraction et la transformation des schistes bitumineux est une activité

importante en Estonie. C’est une matière première utilisée pour produire de l’énergie qui existe en grande quantité dans le sous-sol Estonien, figure 2.

Figure 2. Photo d’une mine de schistes bitumineux sous le chantier. Le sous sol au droit de la section Kukruse - Jõhvi a été exploité à partir des

années 60 et présente plusieurs kilomètres de galeries. Une étude géotechnique a donc été menée pour mieux connaître les couches de sol composant cette section et pour repérer les cavités. Cette étude comprenait des reconnaissances par radar géologique et des forages. Les galeries sont positionnées de 3 m à 14 m sous le niveau de référence, leur hauteur peut varier de 1,6 m à 3,5 m et leur largeur peut varier de 2 m à 90 m. Une partie des galeries est renforcée avec des poteaux et poutres pour limiter les effondrements mais elles représentent une zone à risque pour le projet d’autoroute. Des effondrements localisés sont régulièrement repérés dans la région, (figure 3).

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Figure 3. Fissures et cavité découvertes sur le site. Pour assurer la sécurité de la construction et de l’exploitation de l’autoroute, il a

été choisi d’utiliser un géotextile de renforcement adapté. Cette technologie est déjà bien connue dans le monde des géosynthétiques (Gourc et al, 1999), (Villard et al, 2002), et a déjà été utilisée à de nombreuses reprises. Le dimensionnement et le comportement des géosynthétiques sur cavité potentielle ont fait l’objet de recherches récentes. 3. Description du projet géotextile 3.1. Spécifications

Les spécifications pour ce projet sont très strictes. L’étude géotechnique a évalué

le diamètre maximal des cavités à 4m et la déflection acceptée en surface était de 16 cm (sans maintenance) pour un remblai d’une hauteur supérieure à 2 m et une durée de service de 99 ans. La résistance et la déformation en traction du géotextile dans la direction principale de renforcement doit être suffisante pour respecter ces conditions. Le géotextile devait aussi dégager un coefficient de sécurité suffisant pour assurer une stabilité provisoire de 4 semaines en cas d’effondrement de diamètre supérieur à 4 m. Tous les calculs ont été effectués selon la British Standard BS 8006:1995.

Le bureau d’études responsable du projet a validé un produit géotextile répondant aux paramètres suivants :

Résistance ultime en traction sens production : 1350 kN/m Résistance ultime en traction sens travers : 135 kN/m Matériau de faible déformation pour répondre à un allongement limite. D’autres dimensionnements ont été réalisés par des équipes de producteur de

géosynthétiques et de bureaux d’ingénierie internationaux qui ont confirmé que ces conditions étaient atteintes et que le polyester haute ténacité pouvait répondre aux exigences de déformation. Finalement la maîtrise d’ouvrage, la maîtrise d’œuvre et les entreprises de pose ont choisi le produit breveté Texinov Geoter® FPET 1350/135 pour réaliser le chantier. La figure 4 précise la structure du produit.

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Figure 4. Descriptif du produit. Les garanties et le contrôle des paramètres du produit sont des éléments très

importants qui ont été vérifiés pendant la production. Ce géotextile est bien sûr marqué CE et des essais de résistance à la traction ont été réalisés pour contrôler les niveaux de résistance (figure 5).

Figure 5. Courbe de traction du géotextile.

3.2. Analyse des mouvements de terre Les figures 6, 7 et 8 montrent respectivement le tracé, le profil en travers, le profil en long du projet.

Figure 6. Tracé du projet.

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Figure 7. Profil en travers en partie courante.

Figure 8. Profil en long.

Le tableau I indique les principales quantités de remblai et déblai.

Tableau I. Cubatures et distances pour la solution géosynthétique

Déblai (matériau

mis en décharge)

Remblai (matériau réemployé sur site)

Remblai (matériau d’apport)

Géotextile de renfort

Quantité (m3) ou (m² GSQ)

389 000 151 600 1 041 100 440 000

Masse (t) 778 000 303 200 2 082 200 1 034

Dist. de transp. (km)

< 5 < 5 38 2600

Ce chantier est un chantier majoritairement en remblai, les matériaux réemployés

ou évacués peuvent être traités sur place dans un rayon de 5 km. La carrière fournissant les matériaux de remblai nécessaires est à une distance moyenne de 38 km. Le géotextile, malgré la surface très importante, représente une masse de matériau faible, c’est globalement une armature légère avec un bon niveau de performance.

4. Etude d’une solution injection (non mise en œuvre)

Il est estimé pour cette solution un maillage d’injection tous les 2 m sur la surface complète d’autoroute à traiter soit 330000 m² (les 440000 m² de géotextile comprenant les recouvrements). Cette solution (non mise en œuvre sur la partie courante) a pu être établie à partir des injections réalisées sur le chantier pour fonder les ouvrages d’art en partie non-courante(figure 9).

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Figure 9. Exemple d’injections sur ce chantier.

La réalisation de ces injections conduit à ajuster légèrement les mouvements de terre. La quantité de déblai est modifiée de 10% car il n’est pas nécessaire de déblayer autant que pour l’installation du géotextile. Ceci est contrebalancé par le matériau d’apport. L’influence de cet ajustement est finalement relativement faible car le poste de remblai reste largement prédominant sur ce chantier « en remblai », tableau II.

Tableau II. Cubatures et distances pour la solution injections

Déblai (matériau

mis en décharge)

Remblai (matériau réemployé sur site)

Remblai (matériau d’apport)

Béton injections

Quantité (m3) 350 100 140 040 1 052 660 8000

Masse (t) 700 200 280 080 2 105 320 20 000

Distance de transport

(km) < 5 < 5 38 10

5. Bilan carbone des 2 solutions 5.1. Bilan carbone et volumes

Le guide des facteurs d’émissions de l’ADEME version 5 (2001 – 2007) a servi de base pour calculer le bilan carbone de ce chantier. Les hypothèses suivantes de ratio équivalent carbone des matériaux se retrouvent pages 125 et 129 du guide :

- géosynthétique PET = 1600 kg (CO2)/t - grave = 3kg (CO2)/t - injection = 235 kg (CO2)/t

Pour le géosynthétique il s’agit d’un produit fabriqué à partir de la synthèse du

PET puis transformé en une surface. C’est l’hypothèse la plus conservatrice du guide à ce niveau. Pour la grave et le béton ce sont les ratios moyens de fabrication ou d’extraction de ces matériaux, tableau III.

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Tableau III. Bilan carbone et volumes

SOLUTION TRADITIONNELLE SOLUTION GEOTEXTILE DE

RENFORCEMENT

Déblai en décharge

Remblai réemploi sur site

Remblai matx d’apport

Inject. béton

Déblai en décharge

Remblai réemploi sur site

Remblai matx d’apport

GSQ

Matx m3 GSQ m²

350100 140040 1052660 8000 389 000 151 600 1041100 440000

Masse(t) 700200 280080 2105320 20000 778000 303200 2082200 1034

Equiv. CO2 (t)

2 100 840 6316 4300 2344 910 6247 1654

La différence majeure entre les 2 solutions est due aux masses des matériaux :

1000t de géosynthétique contre 20000t de béton, et donc une masse de CO2 importante pour le béton. 5.2. Bilan carbone et transports

Les hypothèses de ratio équivalent carbone pour le transport des matériaux sont également issues du guide des facteurs d’émissions de l’ADEME version 5. Que ce soit pour les déblais-remblais, le béton ou les géotextiles, tous les camions du chantier peuvent être considérés comme ayant un taux de remplissage complet. En utilisant le descriptif p91et p92 on peut calculer un ratio équivalent carbone pour les transports de 0,5kg/km, tableau IV.

Tableau IV. Bilan carbone et transports

SOLUTION TRADITIONNELLE SOLUTION GEOTEXTILE DE

RENFORCEMENT

Déblai mis en

décharge

Remblai réemploi sur site

Remblai matx

d’apport

Inject. béton

Déblai mis en

décharge

Remblai réemploi sur site

Remblai matx

d’apport GSQ

Dist. km < 5 < 5 38 10 < 5 < 5 38 2600

Nb camions

35010 14004 105266 1000 38900 15160 104110 51

Dist.tot (km)

350100 140040 8000216 20000 389000 151600 7912360 265200

Equiv. CO2 (t)

175 70 4000 10 195 76 3956 133

La distance de transport pour la solution injection est évaluée à 10km avec une

centrale à béton installée à proximité du chantier. Les deux solutions sont globalement équivalentes et la partie remblai est la plus importante en terme d’émissions de CO2 à cause de la distance et du gros volume traité. Malgré une très grande distance, le nombre limité de camions de géosynthétiques réduit bien l’impact CO2 de ce transport.

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5.3. Bilan final

Si l’on compare directement les deux solutions, on obtient le tableau V suivant :

Tableau V. Comparatif

SOLUTION TRADITIONNELLE SOLUTION GEOTEXTILE DE

RENFORCEMENT

Déblai mis en

décharge

Remblai réemploi sur site

Remblai matx

d’apport

Inject. béton

Déblai mise en

décharge

Remblai réemploi sur site

Remblai matx

d’apport GSQ

CO2 (t) Matx 2100 840 6 316 4 300 2 344 910 6 247 1654

CO2 (t) Transp. 175 70 4 000 10 195 76 3 956 133

Σ(t) 2 275 910 10 316 4 310 2 539 986 10 202 1787

La solution de renforcement géosynthétique est 2,4 fois plus performante que la

solution béton pour limiter les émissions de CO2. Sur l’ensemble des terrassements, utiliser la solution géosynthétique de renforcement a permis de réduire de 13% les émissions de CO2 par rapport à une solution d’injections.

6. Conclusions

La solution géosynthétique est une solution intéressante pour réduire la consommation de matériaux. Avec les hypothèses exposées, elle permet aussi d’un point de vue environnemental une réduction des émissions de CO2 de 58% sur la solution de renforcement et 13% sur l’ensemble des terrassements. L’impact environnemental très important de la quantité de remblai par rapport à celui du géotextile nous oriente vers une plus grande utilisation de géotextiles de renforcement pour réduire les épaisseurs de couches de matériaux mises en œuvre. C’est une solution connue et potentiellement utilisable sur de nombreux chantiers.

7. Références bibliographiques ADEME. (2001-2007) Guide des facteurs d'émissions version 5.0. British Standard BS 8006. (1995) Code of practice for Strengthened/reinforced soils and other fills. Comité Français des Géotextiles et Géomembranes. (1990) Recommandations pour l’emploi des

géotextiles dans le renforcement des ouvrages en terre, 1-51. Estonian road administration. Reconstruction of Kukruse – Jõhvi section on Tallinn-Narva road.

Presentation brochure. Gourc J.P., Villard P., Giraud H., Blivet J.C., Khay M., Imbert B., Morbois A. & Delmas Ph. (1999)

Sinkholes beneath a reinforced earthfill – a large scale motorway and railway experiment. Proceedings of the Geosynthetics’99 Conference, April 28-30, 1999, Boston, Massachusetts, USA, 833-846.

Villard P., Gourc J.P. & Blivet J.C. (2002) Prévention des risques d'effondrement de surface liés à la présence de cavités souterraines : une solution de renforcement par géosynthétique des remblais routiers et ferroviaires. Revue Française de Géotechnique n° 99, 2è trimestre 2002, 23-34.

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