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AMELIORATION DE SOL A GRANDE ECHELLE DANS L’AVANT-PORT DE ZEEBRUGES An BAERTSOEN1, Guy GYSELYNCK2, Jan MAERTENS3, Wim VAN ALBOOM4, Luc VAN DAMME5, Guy WELLENS6 1 Ingénieur – Ministère de la Communauté Flamande Division Géotechnique, Gand, Belgique 2 Gérant - Ports & Building Consultancy P.B.C. bvba, Gand, Belgique 3 Gérant - Jan Maertens bvba, Beerse, Belgique 4 Ingénieur Principale - SECO cc Bureau de Contrôle Technique pour la Construction, Bruxelles, Belgique 5 Directeur Général – Ministère de la Communauté Flamande Division des fleuves et de la côte, Ostende, Belgique 6 Directeur - Solétanche-Bachy, Bruxelles, Belgique RÉSUMÉ – Dans le cadre de la réalisation d’un mur de quai côté Sud du Dock Wielingen dans l’avant-port de Zeebruges, une vaste zone a été comblée par remblai hydraulique. Ce travail a élevé les niveaux d’environ ± -10.00 m TAW7 jusqu’à +8.00 m TAW, dans une zone où la marée varie normalement de 5 mètres. Des profondeurs d’eau jusqu’à –15.00 m TAW permettent le chargement et le déchargement de papier pour l’industrie papetière. Derrière la zone de manutention des cargos, un grand nombre de magasins a été construit (magasins transit et short stay, 2 magasins de distribution). Les travaux de comblement ont commencé en Janvier 1999 et au printemps 2001 une surface de ± 40.000 m2 de magasins était déjà construite. La période de construction très courte imposait dès le début la disponibilité d’un matériau aux caractéristiques de compressibilité adéquates. Cependant, les premiers essais de pénétration exécutés dans la zone de remblai ont révélé des propriétés de sol très médiocres. L’ordre de grandeur des tassements calculés sur base d’essais de pénétration et sur base d’essais de laboratoire, était incompatible avec les tolérances admises pour le type de construction envisagé. Les problèmes ont été appréhendés par des techniques variables, en fonction du profil local du sol et du temps disponible. Des problèmes comparables se sont présentés lors de l’exécution des murs de quai adjacents. La performance des différentes techniques d’amélioration de sol a été et continue à être évaluée par une série de techniques adaptées. MOTS CLÉS - Compactage dynamique, accélération de la consolidation, évaluation continue ABSTRACT – For the development of a quay wall on the south side of the Wielingen Dock in the outer harbour of Zeebrugge, a huge area has been reclaimed by hydraulic filling. This work raised the levels from about –10.00 m TAW to +8.00 TAW, in an area where the tide normally ranges around about 5 meters. Water depths to -15.00 m TAW allow for the loading and unloading of paper for the paper industry. Behind the cargo handling area a large number of warehouses was built (transit and short stay warehouses, distribution 1 and 2). Reclamation works started about January 1999 and by the spring of 2001 about 40.000 m2 of warehouses were built. The record period of construction necessitated from the very start the availability of a fill with adequate deformation-free load bearing qualities. However, the first cone tests executed in the reclaimed area revealed something quite different from that. The order of magnitude of the settlements calculated on the basis of in situ cone tests and laboratory consolidation tests, was incompatible with the tolerances for the envisaged type of construction. The problems were, depending on the in situ soil profile, and depending on the time available, tackled by various techniques. Comparable problems were encountered during the execution of the adjacent quay walls. The performance of the different soil improvement techniques utilised was and continues to be the subject of monitoring by a series of quite specific methods. KEY WORDS - Dynamic compaction, consolidation process, performance monitoring

7 TAW : Tweede Algemene Waterpassing – Cote selon le deuxième nivellement général (Nivellement général local)

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Figure 1. L’avant-port de Zeebruges (darses Wielingen et Albert II au bras portuaire occidental)

à gauche. Détail à droite – vue du côté terre. 1. Introduction La partie principale de l’avant-port de Zeebruges a été gagnée sur la mer. Dans les années 1990 cet avant-port de Zeebruges a été sélectionné par l’industrie papetière (StoraEnso) comme centre logistique en Europe occidentale pour la distribution de papier. Une zone de 20 ha le long de la darse Wielingen a été choisie comme endroit idéal.

Au printemps 2001 le terminal consistait en un complexe de quatre magasins sur une surface totale d’environ 40.000 m2 et 150.000 m2 de terrain revêtus pour le déchargement des cargos. Le processus de construction a été géré par Sea-ro terminal nv, une société qui gère toutes les opérations au terminal.

En parallèle à ce développement, plus d’un kilomètre de murs de quai adjacents a été construit sous la responsabilité de la Communauté Flamande et du Port Autonome de Zeebruges. Ces travaux ont été terminés début 2004. 2. Géologie La zone considérée a été réalisée par comblement hydraulique de sable sur le fond de la mer existant. Au départ ce fond de mer était couvert par une couche de silt sans cohésion. Des études économiques prouvaient que le nettoyage préalable de ce matériau (avant le comblement) était beaucoup plus coûteux que le traitement a posteriori exigé pour rendre le terrain adéquat au type de construction envisagé.

L’étude des conditions de sol montrait une variation spatiale significative dans les épaisseurs et les profondeurs des couches médiocres. Cette variation montrait deux zones spécifiques où des techniques d’amélioration différentes s’imposaient.

La première zone (également la plus vaste) comprenait les magasins Distribution 1, Short Stay et Transit. Dans cette zone, les couches de faible résistance étaient localisées à des profondeurs de 2 jusqu'à 5 mètres. Les couches sous-jacentes montraient une capacité portante suffisante pour la réalisation et l’exploitation du terminal.

La deuxième zone (en dessous de Distribution 2 à l’endroit des magasins) était fort différente de la première. Des couches de faible résistance apparaissaient à des profondeurs entre 6 et 14 mètres. En-dessous de celles-ci la résistance du sol restait assez faible. Un diagramme CPT typique pour chacune des deux zones est donné sur la figure 2 (CPT S1, CPT S11). Entre ces deux zones il existe une zone de transition ; un CPT typique de cette zone est fourni au centre de la Figure 2.

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Figure 2. Situation géologique dans la zone 2. Trois essais CPT typiques. 3. Magasins Les dalles des magasins devraient être conçues pour une charge maximale verticale de 100 KPa (avec une partie quasi-permanente d’environ 60%). Des petits tassements différentiels étaient tolérés, du point de vue du comportement structure de la dalle et du comportement de la structure des magasins eux-mêmes.

Il n’était pas surprenant que – face à une telle divergence de profils de sol – différentes méthodes d’amélioration aient été choisies dans chacune de ces zones : dans la première zone, étant donné la profondeur limitée des couches de qualité inférieure, un compactage dynamique a été décidé.

Figure 3. Compactage dynamique ‘dans la mer’.

Il était clair dès le début que le compactage dynamique serait insuffisant, malgré le fait que des mesures dans la zone 1 avaient indiqué un effet d’amélioration à des profondeurs de plus de 8 mètres. Face aux exigences pour la structure, il était nécessaire de consolider le sol jusqu’aux couches inférieures en dessous de 9 et 11 mètres. La méthode le plus économique était le préchargement du terrain avec un poids plus élevé que la charge de conception. Ceci est une technique bien connue et fiable, mais la consolidation dure longtemps si l’on ne prend pas de mesures supplémentaires. Etant donné les délais du projet, le maître de l’ouvrage a décidé l’installation d’un système de drainage pour accélérer la consolidation.

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L’amélioration a été vérifiée dans la zone 1 par des essais CPT comparatifs (voir Figure 4) après chaque phase de compactage dynamique. Des capteurs de pression d’eau interstitielle ont été installés pour vérifier le délai entre deux phases de compactage. Dans la zone 2, le comportement du sol a été observe par une combinaison de 4 techniques:

- essais CPT comparatifs ; - essais de laboratoire ; - installation de capteurs de pressions d’eau interstitielle ; - mesures directes des tassements via des tubes de tassement.

L’évaluation de l’effet de consolidation par mesure directe de l’effet sur le tassement s’est révélée la plus intéressante.

ZEEBRUGGE STORA-TRANSIT , FILES 37 TO 44

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50

Cone resistance Qc (Mpa)

Dep

th (

m)

Before treatment After partial treatment

After complete treatment

Figure 4. Comparaison de valeurs moyennes de résistance CPT Qc avant et après compactage dynamique.

Avant l’exécution du préchargement, des tubes plastiques de diamètre 5 cm étaient placés

horizontalement à 4 endroits répartis sur le terrain. Ces tubes sont assez flexibles pour être capables de suivre le tassement du sol sous le poids du préchargement. Régulièrement, une cellule de mesure a été tirée à travers chaque tube pour permettre un enregistrement du niveau du tube (figure 5).

Après l’installation des tubes une couche de 5 mètres de sable était placée sur la zone, simulant ainsi la charge du terminal futur. Les résultats des mesures directes dans les tubes de tassement sont donnés à la Figure 6 pour le tube n°1. Les tassements maxima se situent logiquement au milieu des tubes (longueur totale d’environ 120 mètres).

ZEEBRUGGE STORA-TRANSIT , FILES 10 TO 24

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50

Cone resistance Qc (Mpa)

Dep

th (

m)

Before treatment After treatment

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Figure 5. Principe de l’observation des tassements en dessous d’un préchargement.

Settlements along Tune n°1 with time

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00

Distance along Tube n°1 (meter)

Rel

ativ

e se

ttlem

ent (

cm)

5/01/2000

27/01/200014/02/2000

10/03/20007/04/2000

5/05/200012/05/2000

Figure 6. Evolution des tassements le long du tube n°1.

Les tassements croissant toujours après une période de 6 mois, la décision a été prise de mettre une couche additionnelle de 3 mètres sur la zone des plus grands tassements. Cette charge additionnelle a été maintenue pendant une période de 3 mois, les tassements atteignant 180 cm. Bien que la consolidation complète n'ait pas été obtenue, il a été décidé de décharger la zone et de commencer à construire le magasin.

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Settlement evolution with time Tube n°1

1

10

100

1000

26/12/1999 15/01/2000 4/02/2000 24/02/2000 15/03/2000 4/04/2000 24/04/2000 14/05/2000Date

Set

tlem

ent (

cm)

Figure 7. Evolution des tassements maxima dans le temps le long du tube n°1.

De ce fait, les colonnes du magasin dans la zone où les tassements étaient toujours

croissantes ont été fondées partiellement sur pieux. Dans la période après construction, les tassements des magasins sont observés par nivellement topographique de points de référence fixés à la structure. Si nécessaire, il sera possible d’intervenir pour maintenir l’intégrité structurelle des dalles. 4. Murs de quai Les murs de quai adjacents sont de type danois, l’effort d’ancrage de la paroi-avant étant transmis via une dalle de béton vers un système de pieux en compression et en traction. La paroi-avant est constituée par un écran mixte (combi-wall) de tubes et de palplanches.

La marée à Zeebruges varie de plus de 4 mètres. La présence des couches médiocres et la variation de leurs qualités le long du quai

présentaient diverses difficultés pendant les phases d’étude et exécution de la construction au niveau de:

- l’ancrage des pieux de traction ; - la stabilité et les tassements du terrain ; - la résistance à la flexion de la paroi tubulaire .

Une paroi de palplanches simples a été exécutée devant le mur en construction comme protection contre les marées et les vagues. Ce système a bien fonctionné comme l’indiquent des mesures fréquentes des déformations de cette paroi dans les zones critiques. Dans une zone spécifique, où les conditions les plus défavorables en termes de conditions de sol se trouvaient réunies, le terrain a été compacté préalablement aux travaux de construction. Ce compactage a été obtenu par l’exécution de pieux de gravier (avec essentiellement le même équipement que pour l’exécution des pieux de compression) suivant un maillage régulier en plan. Le degré de compactage permettait de :

- déduire des caractéristiques adaptées et acceptables pour les couches originelles de qualité inférieure ; l’exécution des pieux de gravier a été jugée comme une véritable technique d’amélioration de sol.

- bien contrôler les niveaux de l’eau pendant les phases suivantes. - disposer d’une plate-forme de travail acceptable et sécurisante.

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Figure 8. Coupe transversale du mur de quai dans la darse Albert-II.

Pendant l’installation des tubes de la paroi tubulaire, des mesures ont été prises pour l’installation de réservations qui ont permis ultérieurement la mesure des pentes de la paroi. Pendant les différentes phases d’exécution et dans la période après construction, un inclinomètre est régulièrement descendu dans la paroi donnant ainsi – par intégration – une image complète de la déformation. L’évolution des déformations dans le temps permet de bien vérifier la stabilisation du mur après dragage. La comparaison des déformations mesurées avec les déformations calculées permet en outre de calibrer les modèles théoriques de calcul.

Figure 9. Mesure inclinométrique typique (à gauche) et évolution des déformations de la paroi

dans le temps (à droite).

5. Conclusions Une grande expérience a été acquise en ce qui concerne l’évaluation de la performance de différentes techniques d’amélioration de sol. Des essais comparatifs au pénétromètre statique se révèlent un excellent instrument pour l’évaluation de l‘effet du compactage dynamique dans

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des sables peu denses. De meilleurs résultats ont été obtenus par la mesure directe de tassements et de déformations en mesurant la consolidation des couches silteuses. Une observation presque continue du comportement global du sol a été obtenue par les techniques de tubes de tassement et d’inclinomètres.

Dans ce projet particulier, cette observation ne se bornait pas seulement à une vérification de la qualité de l’exécution, les observations apportant beaucoup plus, notamment :

- le calibrage de modèles mathématiques ; - le guidage dans le choix des méthodes de réalisation et du phasage de l’exécution ; - la définition du moment opportun des interventions éventuelles après construction.

Dans ces circonstances, l’observation était un instrument flexible pour obtenir un résultat économique justifiable. 6. Références bibliographiques PIANC Report of Working Group no. 31 of the Permanent Technical Committee II, “Life cycle

management of port structures – General principles” – www.pianc-aipcn.org EAU 1996, “Recommendations of the Committee for Waterfront Structures Harbours and

Waterways” - 7th edition - publié par Ernst & Sohn, A Whiley Company - ISBN 3-433-01790-5

BS6349, Maritime structures - British Standards Institute - www.bsi-global.com EC 7, Eurocode 7: Geotechnical Design - Norme Belge, publié par le IBN - Institut Belge de

Normalisation – www.ibn.be “Evaluating structural failure in recent coastal engineering constructions: Latent Defects

Insurance as part of a Risk Control Strategy” – R. Dedeyne, L. Van Damme, W. Van Alboom – ICCE 2000 Sidney - Book of Abstracts 27th International Conference on Coastal Engineering, édité par R.J. Cox, publié par ''The ICCE Local Organizing Committee on behalf of the National Committee on Coastal & Ocean Engineering, Institution of Engineers, Australia, 11 National Circuit, Barton, ACT., July 2000' - ISBN 085825 722 X