Adaptation des ouvrages au changement climatique et aléa naturel
Des ouvrages vulnérables
Les évènements climatiques survenus en France (Aude, novembre 1999 ; Gard, septembre et décembre 2002 ; Haute-Saône, juillet 2021) ont montré la grande vulnérabilité des remblais et digues face à l’érosion interne et à la surverse. Il faut rappeler que, contrairement aux barrages modernes, la structure interne de ces remblais routiers et ferroviaires et de quelques vieilles digues datant de la Renaissance n'a pas été conçue avec des filtres et protections contre l'érosion de surface. La susceptibilité de ces ouvrages en terre à l’érosion hydrique est alors extrêmement dépendante de la texture du sol (en particulier, la présence de particules fines argileuses) et de la sensibilité à la dispersion et est donc très difficile à prévoir. Le laboratoire mène donc des recherches visant à mieux appréhenderla vulnérabilité des ouvrages géotechniques soumis à une crue et sujets à l’érosion et à la dispersion de la matrice argileuse des sols. La mise au point d’outils spécifiques d’étude en laboratoire et en place a été réalisée avec le soucis de maîtriser les flux appliqués aussi bien superficiellement qu’au sein des éprouvettes (essai d’émiettage - Crumb test, érodimètre à jet mobile LCPC, essai de trou - Hole erosion test). Une autre voie intéressante poursuivie est la caractérisation en place à l’aide d’outils de diagraphie instantanée de perméabilité.
Des ouvrages sobres en énergies
Dans la recherche de solutions alternatives aux énergies fossiles, les nouvelles sources d’énergies renouvelables prennent de plus en plus d’ampleur. Dans ce contexte, le développement de techniques de construction éco-responsables, mais aussi aptes à résister aux défis que le changement climatique impose aux constructions est nécessaire. Après de nombreuses années de recherches pour caractériser le phénomène de retrait gonflement, les travaux s'orientent maintenant vers la minimisation de l'impact du retrait gonflement.
Il s'agit aussi de minimiser l'impact de la présence des constructions sur les sols avec la proposition de systèmes de fondations et de sous-structures de bâtiment résilientes et non artificialisantes.
PROJETS
Le projet ADEME REMED RGA (2024-2028) vise à analyser les méthodes de remédiation/prévention des effets du RGA sur les constructions fondées superficiellement en utilisant des enquêtes de terrain, des expérimentations multi-échelle de laboratoire et in situ et de la modélisation numérique. Il vise également à confronter les techniques existantes aux techniques innovantes.
Le projet Tech-0-Artif (2023-2026) s'intéresse aux Solutions Techniques pour des Constructions Sans Artificialisation.
Ce projet rassemble le laboratoire SRO, l'université de Poitiers-EFD, le bureau d'architecture Arch'ab, le bureau d'ingénierie Ecosphère, le cluster – Odeys, l'association Oasis du Coq à l'Âme.
Il s'agit en particulier d’étudier l’impact environnemental des méthodes de construction sur pilotis et plots, dont nous faisons l’hypothèse qu’ils permettent de construire sans artificialiser. Après une première phase d’écoconception, basée sur l’inventaire des ressources et de la biodiversité locale et sur une approche par analyse de cycle de vie (ACV), nous mettrons en place des plateformes expérimentales instrumentées. Nous en évaluerons l’impact sur l’environnement immédiat (sol, ruissellement, biodiversité) et en réaliserons une ACV plus détaillée. Nous étudierons le comportement de ces fondations lorsqu’elles sont soumises aux risques naturels (tremblements de terre, inondations, glissements de terrain), et initierons une réflexion sur la transposabilité de ces techniques dans les textes réglementaires locaux et nationaux.
Le projet ANR Erinoh (2008-2011) s'intéresse à l’érosion interne des barrages, digues et remblais.
Dans ce projet, le laboratoire SRO a développé des essais innovants. Cette implication s'est faite en parallèle à l’opération de recherche « mise en charge hydraulique des remblais ».
Le projet ANR SSHEAR « Sol, Structures et Hydraulique : Expertise et Recherche Appliquée » vise l’amélioration des connaissances sur les mécanismes d’affouillement et le développement d’outils novateurs d’observation et de modélisation aux échelles tant de maquettes expérimentales que d’ouvrages de taille réelle en vue de proposer des méthodes de diagnostic, d'alerte et de gestion.
Le contexte du projet est d’un côté celui d’une expertise scientifique et technique peu structurée au niveau national nécessitant une réactualisation et d’un autre celui d’une expertise internationale essentiellement fondée sur des connaissances empiriques. Il convient de plus de noter que le rapport "Evaluation of Bridge-Scour Research" [NCHRP - Doc 181, 2011] souligne le besoin critique d'une part d'expérimentations hydrauliques en laboratoire et de modèles pour améliorer la compréhension des processus d'affouillements au contact des structures, et d'autre part la nécessité d'étude in-situ et de dispositif à demeure pour évaluer les phénomènes, notamment pendant les crues, évaluer les incertitudes des mesures et caler les modèles.
Dans le cas du patrimoine ferroviaire français, il existe ainsi un recensement exhaustif du patrimoine d’infrastructures établies en site aquatique. Depuis environ 30 ans (Effondrement du Pont Wilson en 1978) la politique de surveillance et de maintenance préventive et corrective des ouvrages ferroviaires et routiers a été renforcée. Les principes d’organisation de la surveillance sont déclinés en différentes actions de visites d’inspection périodiques des ouvrages, d’actions associées d’analyse et de diagnostic, de surveillance renforcée basée sur la mise en œuvre d’instrumentations et/ou d’investigations notamment bathymétriques. Il n’existe cependant pas rigoureusement de classification de sensibilité.
Pour dépasser cet empirisme, avancer sur l’amélioration des connaissances et proposer des méthodes optimisées de diagnostic, d'alerte et de gestion, le projet SSHEAR regroupe 6 partenaires dont 3 organismes scientifiques, 2 gestionnaires d’ouvrages et un institut de recherche technologique.
Le projet SSHEAR propose une démarche pluridisciplinaire originale dans le domaine des affouillements. Démarche coordonnée et valorisée, elle inclut la physique des milieux granulaires immergés, le génie civil (mécanique des sols, hydraulique à surface libre) et le calcul scientifique (modèle diphasique massivement parallèle) pour répondre aux attentes de gestionnaires d’ouvrages (ferroviaires et routiers). Les études, expérimentales et numériques, porteront sur des modèles de laboratoire et sur des ouvrages réels avec, pour finalités pratiques, des guides et des outils.
L’étude combinée des processus fondamentaux (en laboratoire) et l’étude sur site réel (incluant mesure et surveillance quasi-temps réel) seront les points forts du projet et les avancées obtenues aideront également à une meilleure maîtrise des risques par une meilleure connaissance de l’aléa.
Les produits finaux du projet seront entre autres :
- des dispositifs d’essais spécifiques pour étudier en laboratoire l’affouillement et la sensibilité à l’érosion des matériaux ;
- des canaux de mesure instrumentés à la fois sur le plan hydraulique et sur le plan mécanique des sols ;
- des outils destinés à caractériser plus finement les sites affouillables ;
- un ensemble de paramètres de suivi in situ bien documenté pour un ou plusieurs sites ;
- des développements numériques pour une modélisation hydro-sédimentaire 3D innovante, de type biphasique;
- des guides à destination des praticiens et des gestionnaires,
- des publications scientifiques comme des mémoires de thèse, des communications et des articles …
Les techniques de construction ancestrales du bâti reposent sur l’emploi de matériaux naturels ayant un très faible impact carbone par rapport à l’utilisation des matériaux modernes que sont le béton ou les aciers. Cependant, ces techniques ne bénéficient pas du corpus réglementaire suffisant pour apporter des garanties de qualité de la construction, même si ces techniques sont éprouvées sur des ouvrages très connus et très anciens (la Grande Muraille de Chine, Ksar de Aït Ben Haddou au Maroc, le Palais Royal d’Abomey au Bénin, etc.).
Il est apparu important à la communauté scientifique d’apporter sa contribution à la revalorisation de ces pratiques, économes et durables, d’une part dans le cadre du Projet National Terre et d’autre part au travers d’actions de recherche particulières comme le projet Qualit’ère financé par l’Ademe (2023-2025).
Le Laboratoire SRO revisitera les savoirs-faire du terrassement pour les décliner aux techniques de compactage pratiqués en Pisé. La réalisation d’un mur test avec des outils de contrôle connus comme la mesure de masse volumique, de la résistance au pénétromètre au cône, et d’autres essais simples, constituent le cadre de travail de ce projet.
L’objectif final du projet est de trouver des règles de contrôles ou d’autocontrôles à pratiquer sur chantier par les artisans piseurs, prouvant la qualité de la réalisation et pouvant rassurer sur la maîtrise du processus.
Le Laboratoire SRO développe de nombreuses actions d’instrumentation d’ouvrages. L’instrumentation de la digue de La Riche permet de caractériser la dégradation d’une digue et des ouvrages en terre au sens large, face au changement climatique, et caractériser ses effets sur les performances de l’ouvrage.
Cette recherche est soutenue par la Direction Générale de la Prévention des Risques (DGPR), et est menée en partenariat avec le Cerema. L’action a été rendue possible grâce à l’implication de la DREAL Centre-Val de Loire et Tours Métropole. L’instrumentation a été posée au moment des travaux de renforcements de la digue (2023), comprenant la pose d’un dispositif filtrant et drainant, ainsi qu’une recharge en matériau semi-imperméable côté zone protégée.
Les capteurs posés permettent de suivre l’évolution de la succion et de la teneur en eau volumique dans les sols qui composent l’ouvrage, en parallèle du monitoring de la météorologie et du niveau de la nappe. Le couplage des informations permettra à terme de faire le lien entre les évolutions du climat et ses impacts sur les performances de la digue. Les objectifs à terme sont de caractériser le risque d’apparition de défaut (et donc de vulnérabilité) et les besoins de réparation éventuels.
Le Laboratoire SRO travaille sur des domaines aussi variés que le comportement des sols et des sols traités ainsi et la durabilité des ouvrages. Dans ce cadre, une recherche sur un matériau constitué de sol naturel et de liant hydraulique pour des applications telles que le renforcement des digues et le renforcement des sols, soil mixing, est effectué depuis 2010.
Cette recherche est soutenue par la Direction Générale de la Prévention des Risques (DGPR) et la DREAL Centre-Val de Loire et est menée en partenariat avec le Cerema.
La technique du Deep soil mixing (DSM) constitue une technique de renforcement des sols intéressante économiquement et du point de vue environnemental. Elle consiste à mélanger mécaniquement le sol en place avec un liant hydraulique et de l’eau afin de fabriquer un matériau traité en profondeur. Le sol initialement présent sur le chantier est alors valorisé comme un matériau de construction, avec le double intérêt de diminuer les déchets (sols excavés) et de réduire la consommation de matériaux et d’énergie.
Pour obtenir un matériau autoplaçant, un domaine d’ouvrabilité du matériau traité par Deep soil mixing doit être défini. Il dépend de la nature du sol à traiter (notamment en présence de minéraux argileux) et du dosage en ciment pour qu’au-dessus d’une certaine limite d’ouvrabilité (soit une teneur en eau ajoutée au mélange sol et ciment), il est possible de considérer qu’un matériau homogène sera obtenu. Des hétérogénéités caractérisées par la présence d’inclusions de sol non mélangées apparaissent néanmoins en fonction de la nature du sol et de la teneur en eau de mélange.
Il s’agit au final de mieux comprendre comment optimiser la formulation des matériaux DSM et de comprendre également comment la prise peut être perturbée (par le protocole de traitement ou par les composantes du sol) ainsi que leur comportement à long terme pour des ouvrages de type digue ou des fondations.
Une instrumentation a aussi été réalisée sur plusieurs années pour suivre la réponse d’une digue renforcée par un écran étanche réalisé par la technique du Deep soil mixing.