Une étude expérimentale sur l'amélioration de la résistance des sous-couches expansives par des fibres de polypropylène et un renforcement de géogrille

May 28, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 6685 (2022) Citer cet article

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Le développement rapide des infrastructures se heurte souvent aux fondations lâches et devient difficile à porter aux activités de construction. De nombreuses méthodes de neutralisation sont développées pour contrôler le comportement de gonflement-retrait des sous-couches expansives. La stabilisation mécanique des fondations expansives par renforcement avec la fibre de polypropylène et la géogrille est durable. Les géogrilles et les fibres de polypropylène ont été largement utilisées pour renforcer le sous-sol expansif et les fondations en tant qu'individus. Le renforcement en fibre de polypropylène a amélioré la capacité de résistance à la traction des sous-couches expansives renforcées, le renforcement de la géogrille étant la technique de stabilisation mécanique à solution rapide, qui réduit les défaillances de la chaussée. Dans cette recherche, l'effet combiné de la fibre de polypropylène et du renforcement de la géogrille a été évalué pour stabiliser les fondations de la chaussée. Les différents tests de résistance mécanique tels que la résistance à la compression non confinée (UCS) et le grand test de boîte de cisaillement direct ont été effectués pour évaluer l'interaction mécanique entre les sous-sols expansifs, la fibre de polypropylène, la géogrille triaxiale et la géogrille biaxiale à l'interface. La fibre de polypropylène de 12 mm de longueur a été utilisée dans la proportion de 0,25 %, 0,5 % et 1,0 % et une seule couche de géogrille à mi-profondeur. Le résultat montre que la résistance au cisaillement des fondations renforcées avec une couche de géogrille biaxiale/triaxiale et de fibre de polypropylène augmente de 177 %. On observe également que la résistance à la compression non confinée des fondations expansives a augmenté de 3,8 à 139,6 % avec l'inclusion de fibres de polypropylène avec géogrille dans différentes combinaisons. La méthode de renforcement combiné montre une méthodologie de traitement efficace pour améliorer la propriété des sous-sols expansifs.

Les sous-sols expansifs se caractérisent par la nature du changement de leur volume avec le changement de la teneur en eau. Ce changement de volume est connu sous le nom de comportement de gonflement-rétrécissement des fondations expansives, et par conséquent, les fondations expansives sont également connues sous le nom de fondations de gonflement-rétrécissement1,2,3,4. Les dégradations de la chaussée dans les chaussées sont l'un des impacts du sol expansif dans la couche de fondation5,6,7. À l'état sec, les fondations expansives initient une fissuration de retrait, qui se propage à travers le système de chaussée et entraîne une fissuration et un orniérage longitudinaux, transversaux et de fatigue dans le cas de la surface de la chaussée8. Les structures subissent également des dommages relativement importants lorsqu'elles sont construites sur des fondations en argile hautement plastique, car ces fondations subissent des cycles de mouillage et de séchage. Par conséquent, ces caractéristiques des fondations expansives à grain fin sont l'une des raisons les plus importantes qui conduisent à des fissures, à la détresse et à la plupart des dommages9.

Les sous-sols expansifs se trouvent principalement dans les parties centrale et occidentale et couvrent plus de 15 à 20 % de la zone géographique de l'Inde10,11. Les sous-couches expansives sont également appelées sous-couches faibles car la pression de gonflement vers le haut augmente la teneur en humidité des sous-couches expansives, provoquant une défaillance. Les propriétés d'ingénierie des sous-couches expansives sont améliorées à l'aide de plusieurs méthodes de renforcement. De nombreuses méthodes de neutralisation sont développées pour contrôler le comportement de gonflement-retrait des sous-couches expansives12,13,14,15,16,17,18,19. Le renforcement par géogrille est une autre méthode largement utilisée pour améliorer les propriétés techniques des sous-couches fragiles20,21,22,23. La géogrille améliore les propriétés techniques de la fondation par stabilisation mécanique24,25,26,27. Plusieurs études ont été menées pour comprendre le comportement des fondations expansives renforcées par des géosynthétiques21,28,29,30,31,32. L'utilisation de la géogrille améliore la durée de vie de la structure de la chaussée en réduisant la fissure réfléchissante et en renforçant les matériaux de fondation33,34,35,36,37,38. L'étude réalisée par Jahandari et al.39 a présenté les performances à long terme des fondations expansives renforcées par une géogrille et a montré une utilisation durable de la géogrille pour renforcer les fondations expansives traitées à la chaux. De même, Chenari et al.40 ont étudié l'effet combiné de la géogrille et des polystyrènes expansés (EPS) pour améliorer le comportement de l'interface cyclique des fondations expansives renforcées. L'analyse des performances à long terme des fondations expansives renforcées géosynthétiques a été étudiée par Roodi et Zornberg24 et montre que la méthode est rentable et durable.

Le renforcement des fibres des sous-couches expansives s'est avéré être une autre méthode peu coûteuse et appropriée. Divers chercheurs ont mené des études approfondies pour étudier l'efficacité de la fibre dans l'amélioration de la durée de vie des sous-couches expansives41,42,43,44,45,46. La fibre de polypropylène constituée de déchets plastiques a été efficacement utilisée comme renfort47,48,49,50,51. Tiwari et al.52 ont étudié l'effet des fibres de polypropylène sur le renforcement des sous-couches expansives stabilisées avec de la fumée de silice et ont trouvé une amélioration significative des propriétés techniques sous les cycles de gel-dégel. Deng et al.53 ont étudié l'effet de la fibre de polypropylène pour renforcer les sous-couches expansives et ont constaté que la résistance a été augmentée avec l'augmentation de la longueur de la fibre à une teneur en humidité optimale.

Il a été observé que divers chercheurs ont étudié l'effet combiné de différents matériaux avec la géogrille pour atteindre la durabilité. Cependant, l'effet combiné de la fibre de polypropylène et de la géogrille n'a pas été bien étudié. Le comportement de l'interface et les propriétés de résistance au cisaillement des sous-couches expansives renforcées de fibres de polypropylène et de géogrilles sont mal explorées. Par conséquent, pour étudier le renforcement combiné des fibres et des géogrilles, une étude expérimentale détaillée a été menée dans cette recherche. La fibre de polypropylène et l'effet de géogrille ont été étudiés en réalisant des essais de résistance à la compression libre et de grands essais de cisaillement direct. La résistance au cisaillement a été évaluée en plaçant la géogrille biaxiale et triaxiale au centre et en renforçant les fondations expansives avec 0,25 %, 0,50 % et 1,0 % de fibre de polypropylène.

Les matériaux de fondation utilisés dans cette recherche ont été collectés dans le Madhya Pradesh (Inde). Les propriétés d'indice des sous-couches expansives collectées ont été étudiées et il a été observé que les sous-couches sont classées comme argile à haute plasticité (CH) selon le système unifié de classification des sols (USCS). La distribution granulométrique des fondations expansives obtenues montre la présence d'argile (71,5%), de limon (24,5%) et de sable (4,0%). La présence d'une teneur en argile plus élevée présente une pression de gonflement plus élevée ; par conséquent, l'indice de gonflement libre de 120 % a été observé. Les propriétés d'indice des fondations considérées dans l'étude sont présentées dans le tableau 1.

Des fibres de polypropylène de 12 mm de long constituées de déchets plastiques ont été prises en compte dans cette recherche. Des fibres avec un point de fusion de 165 °C et une masse volumique apparente de 910 kg/m3 sont utilisées. Fibre PP ayant une résistance à la traction plus élevée et non corrosive. Diverses propriétés de la fibre PP considérée dans cette étude sont présentées dans le tableau 2.

Une géogrille biaxiale et triaxiale en polypropylène formée intégralement par poinçonnage, étirage et procédé d'extrusion, comme illustré à la Fig. 1, a été utilisée dans l'étude. Les propriétés d'indice de la géogrille biaxiale et triaxiale sont présentées dans les tableaux 3 et 4, telles qu'informées par Tensar Geosynthetics India Pvt. Ltd.

Géogrille biaxiale et triaxiale.

Dans cette étude, les propriétés techniques des sous-couches expansives renforcées de fibres de polypropylène et de géogrilles ont été étudiées. Des essais de résistance à la compression non confinée et de cisaillement direct de grande taille ont été effectués pour étudier la résistance au cisaillement et la résistance à la compression de l'échantillon de fondation expansif renforcé. Les propriétés de l'indice, c'est-à-dire la teneur en humidité optimale (OMC), la densité sèche maximale (MDD), la limite de liquidité (LL), la limite plastique (PL), la distribution granulométrique (GSD), la gravité spécifique, l'indice de gonflement libre, ont été étudiées pour caractériser l'expansion sous-sols. Dans la phase initiale, les sous-couches expansives ont été renforcées mécaniquement avec une teneur en fibres de polypropylène de 0,25 %, 0,50 % et 1,00 %. La teneur en fibres et la longueur des fibres ont été choisies selon l'étude détaillée proposée par Tiwari et al.52. La teneur en eau joue un rôle essentiel dans la performance des sous-couches expansives. Diverses études menées sur des sous-couches expansives montrent que les sous-couches présentent la résistance maximale à la teneur en humidité optimale. Par conséquent, tous les spécimens ont été préparés à la teneur en humidité optimale pour évaluer le comportement de la fibre PP et du renforcement de la géogrille. La fibre PP dans la quantité requise a été mélangée au mélange avec une teneur en humidité optimale, puis conservée dans l'enceinte humide à une température de 27 ± 2 °C et 65 ± 5 %. La fibre sol-PP obtenue a été compactée dans la forme et la taille souhaitées à l'aide d'un compacteur léger. La fibre de polypropylène et l'effet de géogrille ont été étudiés en réalisant des essais de résistance à la compression libre et de grands essais de cisaillement direct. La résistance au cisaillement a été évaluée en plaçant la géogrille biaxiale et triaxiale au centre et en renforçant les fondations expansives avec 0,25 %, 0,50 % et 1,0 % de fibre de polypropylène. La grande boîte de cisaillement direct de 300 mm × 300 mm × 150 mm est utilisée pour évaluer l'effet sur le comportement d'interaction de la géogrille des sous-sols expansifs (Fig 2a). La taille de la boîte inférieure a été maintenue plus grande que la boîte de cisaillement supérieure pour maintenir une zone de cisaillement égale pendant l'expérience (Fig. 2b). Les nombres de coups 287, 335 et 383 ont été appliqués pour obtenir la densité sèche en utilisant la méthode proctor légère. L'effet de la géogrille biaxiale et triaxiale a été évalué en plaçant la géogrille à mi-profondeur de l'échantillon de cisaillement direct. L'essai de cisaillement direct a été effectué à la vitesse de déformation de 1,25 mm/min selon la norme indienne et en appliquant les trois charges normales différentes.

Configuration expérimentale pour le grand équipement d'essai de cisaillement direct (a) utilisé (b) dispositif de boîte de cisaillement.

La charge de cisaillement maximale et le déplacement au cours de l'expérience ont été enregistrés avec un LVDT et une cellule de charge de capacité 50 mm et 50 kN, respectivement. Le comportement contrainte-déformation des échantillons renforcés et non renforcés a été étudié en effectuant le test de résistance à la compression non confinée de 50 mm de diamètre. Les échantillons ont été préparés selon les sections d'essai mentionnées dans le tableau 5. La contrainte a été calculée en appliquant la vitesse de déformation constante de 1,25 mm/min jusqu'à la contrainte du déviateur. La géogrille monocouche placée à mi-profondeur pour évaluer l'effet sur la résistance à la compression non confinée. Dans cette recherche, les sous-sols expansifs, la géogrille biaxiale, la géogrille triaxiale et la fibre de polypropylène sont appelés respectivement BC, BG, TG et PP.

La résistance au cisaillement des fondations expansives renforcées et non renforcées a été évaluée par des essais de cisaillement direct et de résistance à la compression non confinée. Une tentative a été faite pour évaluer la contrainte-déformation et le comportement de frottement interfacial des sous-couches expansives renforcées par des géotextiles. L'essai de cisaillement direct non consolidé non drainé a été réalisé à une vitesse de déformation de 1,25 mm/min pour obtenir les paramètres de résistance au cisaillement entre sol-sol, sol-fibre et sol-géogrille. L'essai de cisaillement direct de grande taille ressemble à l'état de terrain du sol de fondation. La résistance au frottement obtenue à partir d'un cisaillement direct de grande taille est l'effet combiné de l'interaction sol-sol et sol-géotextile11,54. La résistance au cisaillement des sous-couches expansives renforcées et non renforcées de fibres de PP et de géogrilles est illustrée à la Fig. 3. La variation de la teneur en fibres a été présentée avec la géogrille biaxiale et triaxiale. Les résultats des tests de cisaillement direct montrent que la fibre et la géogrille en PP améliorent efficacement la résistance des sous-sols expansifs. Les fondations expansives ont été renforcées en plaçant la géogrille biaxiale et triaxiale et la profondeur moyenne. La résistance au cisaillement a été améliorée de 55,56 à 101,11 kPa (82 %) et 102,22 kPa (84 %) tandis que 68,33 kPa (23 %), 84,05 kPa (51,29 %) et 81,53 kPa (46,75) avec l'inclusion de 0,25 % , 0,50 % et 1,00 % de fibres de polypropylène à une contrainte normale de 24,63 kPa respectivement. L'amélioration de la résistance au cisaillement peut être attribuée à la résistance au frottement des sous-sols expansifs et des couches de géogrille. De plus, l'inclusion de la teneur en fibres de PP a renforcé la particule expansive des sous-grades et offre une résistance. La propriété de dilatation joue un rôle important dans l'étude du comportement d'interaction du renforcement fibreux des sous-couches expansives55. La distribution discrète de la fibre PP dans les sous-couches expansives a agi comme un réseau spatial imbriqué avec les sous-couches et a formé une liaison solide. Les sous-couches expansives renforcées de fibres offrent une résistance relativement plus élevée contre la force appliquée. Le réarrangement des particules de sol se produit avec l'augmentation du taux de déformation; à ce stade, la résistance à la traction de la fibre intègre efficacement l'échantillon de sol et reste intacte contre la charge appliquée56.

Résistance au cisaillement des fondations expansives renforcées et non renforcées.

La résistance au cisaillement a été augmentée de 60 kPa, 112 kPa, 114 kPa dans le cas d'une géogrille biaxiale et 66 kPa 128 kPa, 131 kPa dans le cas d'une géogrille triaxiale sous la pression normale de 49,27 kPa et 98,54 kPa. Un schéma similaire a été observé avec l'inclusion de la teneur en fibres de propylène (c'est-à-dire BC + 0,25% PP, BC + 0,50% PP, BC + 1,00% PP), la résistance au cisaillement augmente entre 10,5 et 12,5% sous une contrainte normale de 49,27 kPa et 98,54 kPa. La résistance au cisaillement des spécimens de fondation expansifs renforcés s'est améliorée en raison d'une cohésion apparente similaire à celle des spécimens de fondation expansifs non renforcés. En raison de la pression de confinement élevée, la cohésion apparente entre le sol et le géotextile a été améliorée.

Une résistance à la traction plus élevée du géotextile avec une forte interaction avec les particules d'argile a amélioré la résistance au cisaillement des spécimens renforcés57. Les résultats montrent également l'augmentation potentielle de la résistance au cisaillement lorsque la géogrille et la fibre de polypropylène sont utilisées pour renforcer les sous-couches expansives. On peut noter qu'avec l'inclusion de la teneur en fibres avec la géogrille, la résistance au cisaillement augmente de façon exponentielle ; cependant, l'effet de la géogrille biaxiale et triaxiale est similaire. Le coefficient de résistance au cisaillement de l'interface α a été calculé à l'aide de l'équation. (1) pour quantifier l'effet du renforcement de la géogrille.

où τ renforcé est la résistance au cisaillement des sous-couches expansives renforcées avec des fibres de polypropylène et une géogrille à l'interface, et τ non renforcé est la résistance au cisaillement des sous-couches expansives.

Le tableau 6 résume les coefficients de résistance au cisaillement maximal et moyen mesurés pour des contraintes normales de 24,69 kPa, 49,27 kPa et 98,54 kPa. Les coefficients moyens de résistance au cisaillement de l'interface de pointe des fondations avec fibre de polypropylène et géogrilles utilisées dans cette étude varient de 1,24 à 2,81. Les coefficients moyens de résistance au cisaillement de l'interface de pointe sont les plus faibles pour l'interface BC + 0,25 % PP et les plus élevés pour l'interface BC + 0,50 % PP + TG. La valeur la plus élevée du \(\upalpha\) représente l'amélioration maximale du renforcement. Si la valeur de \(\upalpha\) est inférieure à un, cela indique la perte de force. Les valeurs de \(\upalpha\) avec une pression normale variable ont été présentées dans le tableau 6. À une pression normale de 24,69 kPa, les particules de sol sont dilatantes et, par conséquent, une résistance au cisaillement moindre est observée. Cependant, avec l'augmentation de la pression normale, les particules de sol sont restées intactes et ont montré une résistance plus élevée. On peut également observer que le système d'emboîtement sol-sol et sol-fibres influence également de manière significative la résistance au cisaillement des fondations expansives renforcées. Les géogrilles triaxiales sont plus performantes que les géogrilles biaxiales, ce qui indique que la taille de l'ouverture et le type de géogrille jouent également un rôle vital dans le renforcement des fondations expansives. On peut conclure que sur la base du mécanisme d'emboîtement, les propriétés de résistance au cisaillement ont changé dans les fondations expansives renforcées.

La figure 4 montre la cohésion et l'angle de résistance au cisaillement des sous-couches expansives renforcées et non renforcées. L'amélioration de l'angle de résistance au cisaillement et de cohésion a été observée. L'angle de résistance au cisaillement a été amélioré pour la géogrille biaxiale de 8,44° à 21,23° et pour la géogrille triaxiale de 8,44° à 21,96°. De même, lorsque les fondations expansives ont été renforcées avec 0,50 % de fibres de PP, l'angle de résistance au cisaillement est passé de 8,44° à 31,49° dans le cas de la géogrille biaxiale et de 52,61 à 92,78 kPa dans le cas de la géogrille triaxiale. Dans le même temps, la force de cohésion a été améliorée pour la géogrille biaxiale de 52,61 à 93,89 kPa et pour la géogrille triaxiale de 8,44° à 21,96°. De même, lorsque les fondations expansives ont été renforcées avec 0,50 % de fibres de PP, l'angle de résistance au cisaillement est passé de 52,61 à 139,24 kPa dans le cas de la géogrille biaxiale et de 52,61 à 140,57 kPa dans le cas de la géogrille triaxiale.

Cohésion et angle de résistance au cisaillement des supports expansifs renforcés et non renforcés.

L'amélioration de l'angle de résistance au cisaillement et de la force de cohésion peut être attribuée au schéma d'imbrication sol-sol, sol-fibre et sol-géogrille. L'efficacité de l'interface pour la section renforcée observée dans un grand essai de cisaillement direct est supérieure aux résultats rapportés par Abu-Farsakh et al.58. Les résultats ont confirmé l'utilisation efficace de la couche de géogrille pour améliorer la résistance au cisaillement des fondations expansives.

La courbe de résistance à la compression non confinée (UCS) des fondations expansives renforcées et non renforcées est illustrée à la Fig. 5. Une amélioration significative de la résistance a été observée avec l'inclusion de fibres de polypropylène et de géogrille. La valeur UCS de la section non renforcée a été observée à 139,7624 kPa, avec une augmentation allant de 145,15 à 335 kPa.

Résistance à la compression non confinée des supports expansifs renforcés et non renforcés.

La valeur maximale de la section renforcée BC+ 0,50%PP+TG peut être considérée comme le pourcentage optimal pour le renforcement. L'effet géogrille n'affecte pas beaucoup la résistance du matériau ; cependant, la couche crée une base solide et sépare la section en deux parties. Avec l'inclusion de la couche de géogrille, le rapport L/D des couches change et, par conséquent, l'augmentation de la valeur UCS est observée. L'UCS du mélange de fibres de polypropylène a augmenté avec l'augmentation de la teneur en fibres de PP ; cependant, à une teneur plus élevée en fibres de PP, la capacité de déformation axiale des sous-couches expansives diminue.

Les fondations expansives posent des problèmes à la structure de la chaussée et provoquent une défaillance en raison de la nature du gonflement et du retrait. Cette étude a examiné l'effet de couplage de la fibre de polypropylène et du renforcement de la géogrille sur les sous-sols expansifs. La résistance au cisaillement des fondations expansives renforcées a été évaluée par de grands essais de résistance au cisaillement direct et de résistance à la compression non confinée. L'utilisation combinée de la fibre PP et de la géogrille a permis d'améliorer considérablement les propriétés d'ingénierie des sous-sols expansifs. L'utilisation de géogrilles biaxiales et triaxiales améliore considérablement l'angle de résistance au cisaillement des sous-fondations expansives renforcées et non renforcées de fibres de PP. L'amélioration a été attribuée au mécanisme d'imbrication entre sol-sol, sol-fibre et sol-géogrille. La résistance au cisaillement des fondations expansives avec l'inclusion de fibre PP et de géogrille augmente jusqu'à 154 kPa à partir de 55,43 kPa. La fibre 0,50% PP donne des résultats optimaux avec une géogrille biaxiale et triaxiale. Cependant, la géogrille biaxiale et triaxiale a fonctionné ; de même, aucune amélioration significative n'a été observée. La résistance à la compression non confinée de la section renforcée augmente avec l'ajout de géogrille et de fibre PP. La valeur UCS de la section non renforcée a été observée à 139,7624 kPa, avec une augmentation allant de 145,15 à 335 kPa.

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Nous sommes reconnaissants à Sophisticated Instrumentation Center (SIC) ", IIT Indore, de fournir des installations de caractérisation des matériaux. Les auteurs sont reconnaissants et reconnaissent le soutien financier du ministère de l'Éducation (MoE), gouvernement indien, pour avoir fourni une bourse de doctorat au premier Nous sommes également reconnaissants à Springer Nature d'avoir fourni une renonciation APC complète pour cette publication.

Département de génie civil, Indian Institute of Technology Indore, Indore, Inde

Nitin Tiwari & Neelima Satyam

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La conceptualisation, la méthodologie, la rédaction - la préparation du projet original, ont été faites par la validation NT, l'analyse formelle, la rédaction - la révision et l'édition par NT, NS, les figures préparées par NT et ; supervision, NS Les deux auteurs ont revu le manuscrit.

Correspondance à Nitin Tiwari.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Tiwari, N., Satyam, N. Une étude expérimentale sur l'amélioration de la résistance des sous-couches expansives par des fibres de polypropylène et un renforcement de géogrille. Sci Rep 12, 6685 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-10773-0

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Reçu : 14 juillet 2021

Accepté : 11 avril 2022

Publié: 23 avril 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-10773-0

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