L’amélioration des sols par la technique de vibrosubstitution est habituellement utilisée pour les sols cohésifs, mais peut toutefois être utilisée dans les sols pulvérulents avec potentiel de liquéfaction. Cette technique permet la création d’un réseau de colonnes ballastées (CB) qui réduit le tassement et augmente la capacité portante d’un sol. L'intérêt est certes bien affiché. En effet, Geopac Inc. (entreprise spécialisée) se propose d'évaluer sa méthode d'amélioration des sols par CB en vue de réduire (voire éliminer) le potentiel de liquéfaction des sols grenus. Geopac a fait recours à une collaboration avec l'UdeS pour analyser expérimentalement et numériquement l'influence de la mise en place des CB sur les propriétés d'un sol pulvérulent. Un programme expérimental a été élaboré dans le but d’étudier l’effet de la mise en place des CB sur le sol encaissant par cette technique. À cet effet, un modèle réduit unique a été conçu, instrumenté et calibré à l’UdeS pour permettre dans un premier temps, de simuler l’incorporation de pierre nette (ballast) dans un sol lâche non saturé tout en maintenant une contrainte verticale et en mesurant la contrainte latérale générée durant l’incorporation. Le modèle réduit permet l’étude de l’expansion de cavité telle qu’obtenue durant la construction des CB par vibrosubstitution. Les colonnes sont construites à l’intérieur d’une cellule de PVC de 600 mm de haut et de 382 mm de diamètre. Un total de trois colonnes ballastées ont été construites sous une contrainte de 60, 80 et 100 kPa respectivement représentant un taux d’incorporation de près de 4 %. L’incorporation démontre une augmentation de la pression latérale caractérisée par le coefficient de pression latérale K jusqu’à 1.37 et une augmentation de la densité de 44 % à 55 % en moyenne. Une modélisation numérique a ensuite permis de confirmer les résultats expérimentaux et de vérifier le comportement du montage expérimental. La modélisation numérique a été réalisée avec le logiciel PLAXIS 2D 2012 en axisymétrie de révolution et considérant une loi comportementale de type Hardening Soil Model pour le sol encaissant et de type Mohr-Coulomb pour la colonne de pierre. La modélisation numérique a permis de déterminer que la forme de la contrainte verticale sur le sol est parabolique, c’est-à-dire maximale au centre et nulle à l’interface sol-paroi. L’expansion du sol a été simulée par l’imposition d’une déformation volumique anisotropique en cinq couches dans le sens radial et circonférentiel équivalent aux dimensions de la colonne obtenue expérimentalement. Les résultats numériques ont démontré une erreur de < 1 % pour la CB #1, de pour la CB #2 et de < 30 % pour la CB #3. L’erreur rencontrée sur la dernière colonne effectuée sous une contrainte verticale de 60 kPa peut-être associés à une mesure erronée lors de l'expérimentation. L’obtention des résultats expérimentaux par modélisation numérique a confirmé la fonctionnalité du montage expérimental et de la procédure de construction des CB en laboratoire. Cela ouvre la porte à des études subséquentes de l’effet de la mise en place des CB sur le sol encaissant en incorporant la vibration et la saturation du sable reproduisant la technique de vibrosubstitution.

Les inclusions souples, telles que les colonnes ballastées, sont constituées de matériaux granulaires purement frottants et réalisées à partir de différentes méthodes, afin d’entraîner des améliorations des performances du sol (réduction des tassements, augmentation de la capacité portante, etc.). Dès leur origine, fin des années 1950, ces colonnes ont été employées en maillages réguliers sous des ouvrages de grandes dimensions (remblais, réservoirs, dallages…) apportant des surcharges uniformément réparties. Depuis plusieurs années, les colonnes sont souvent mises en œuvre de manière isolée ou en groupe d’éléments limités (2 à 6 unités) et coiffées par une semelle rigide. Il est donc important de prévoir le comportement mécanique de ces inclusions sous des semelles rigides compte tenu de leur application à de nombreuses structures (logements, bâtiments industriels…). L’objectif principal du travail présenté ici est : (1) d’analyser et de quantifier l’amélioration du sol obtenue par la mise en place des colonnes ballastées, dans un sol argileux, sous semelles rigides et (2) de développer une méthodologie numérique permettant de valider les résultats d’essais en grandeur réelle. Pour atteindre ces objectifs, une importante campagne d’essais en grandeur réelle a été élaborée puis mise en œuvre. Il s’agit d’une campagne de sondages de pénétration statique réalisés avant et après la mise en place des colonnes (isolées ou en groupe de 3 de 1,8 m d’entre-axe), ainsi que d’essais de chargement comparatifs en grandeur réelle pendant 77 jours, de semelles (1,2 x 1,2 x 0,5 m) sur une colonne ballastée et sur le sol naturel, et de semelles (2,3 x 2,5 x 0,5 m) sur trois colonnes et sur le sol naturel. Une importante instrumentation du sol et des colonnes (inclinomètres, sondes de pression interstitielle, capteurs de pression totale verticale) a été mise en place avant la réalisation des colonnes afin de déterminer l’amélioration du sol et le comportement à la rupture de ces inclusions. Puis, les résultats expérimentaux (déplacements horizontaux et verticaux, et contraintes totales verticales) ont été confrontés aux résultats de modélisations numériques en 2 (PLAXIS 2D V8) et 3D (FLAC 3D). Ont notamment été étudiés en 2D les outils numériques permettant de simuler le processus de mise en œuvre d’une colonne par refoulement latéral du sol / Flexible inclusions, such as stone columns, are made up of purely frictional granular material and are constructed using a variety of methods, in order to improve the soil (settlement reduction, increase in bearing capacity…). At their beginning, end of the 1950’s, stone columns were placed in a regular mesh under great structures (embankments, tanks, slabs…) bringing uniformly distributed loads. Since several years, these columns are often constructed as isolated elements or in groups of a certain number (generally 2 to 6) on top of which is placed a rigid footing. It is thus important to predict the stone column’s mechanical behavior under rigid footings knowing that they can be used under a broad variety of structures (accomodation, industrial buildings…). The main purpose of the work presented in this thesis is to: (1) analyse and quantify the soil’s improvement thanks to the construction of stone columns, in a clayey soil, under rigid footings and (2) to develop a numerical methodology allowing us to validate full scale experimental results. In order to achieve this, an important full scale load test campaign was first conceived and then set up. Cone penetration tests were carried out before and after stone column construction (in isolated elements or in groups of three columns located at the corners of a 1,8 m faced triangle). Another part of this campaign deals with comparative full scale load tests carried out during 77 days: two rigid footings of 1.2 x 1.2 x 0.5 m, one on the natural soil and one placed on top of a stone column, and two rigid footings of 2.3 x 2.5 x 0.5 m, one on the natural soil and the other one placed on three stone columns. An important soil and column monitoring (inclinometers, pore pressure cells, total vertical load pressure cells) was set up before column construction in order to measure the soil’s improvement and the column’s failure behavior. The the experimental results (lateral and vertical displacements, and total vertical pressures) were compared to numerical ones in 2 (PLAXIS 2D V8) and 3D (FLAC 3D). In 2D, part of the work was focused on simulating the installation process of a stone column by lateral displacement of the soil