Principes de base du compactage des sols — Mécanismes du compactage des sols par vibration et chargement répété

Contrairement aux autres engins de chantier — qui creusent, transportent ou empilent —, les équipements de compactage sont des machines qui modifient le sol ou le matériau de revêtement sans le déplacer. Un rouleau ou une plaque applique une charge répétée sur le sol, chassant l'air entre les particules et augmentant ainsi sa densité, ce qui accroît sa résistance, sa portance et sa durabilité. C'est un procédé peu attrayant, mais un compactage insuffisant d'une sous-couche ou d'un remblai se manifeste toujours ultérieurement, sous forme de tassement ou d'orniérage.

Un rouleau vibrant en service

Image : CAT CS563E (Alexandre Prevot, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Il ne s'agit pas des modèles spécifiques de Sakai Heavy Industries ou Mikasa Sangyo mentionnés dans le texte, mais d'un exemple représentatif de la configuration d'un rouleau vibrant monocylindre.

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Figure 1 — La rotation de la masse excentrée génère une excitation ; combinée au poids de la machine, elle produit une charge de contact qui varie à chaque cycle. La qualité dépend également de la vitesse d'avancement, du sol, de son humidité et de l'épaisseur de la couche. Des essais et des mesures doivent donc définir les conditions de fonctionnement et la règle d'arrêt.

0. Résumé en 30 secondes

• Pour le compactage des sols, il existe une « teneur en eau optimale » pour laquelle la densité sèche la plus élevée est obtenue. L'essai en laboratoire permettant de la déterminer est l'essai Proctor (essai de compactage pour Le compactage du sol par pilonneuse est représenté par une courbe de compactage.

• Un rouleau vibrant fait tourner une masse excentrée à l'intérieur du tambour pour générer une force centrifuge (force d'excitation). Cette force d'excitation est souvent réglée à environ 2 à 3 fois le poids du tambour, combinant ainsi la charge statique due au poids propre et la charge dynamique due aux vibrations pour compacter le sol.

• Une grande amplitude à basse fréquence convient aux couches épaisses et aux sols à gros grains ; une petite amplitude à haute fréquence convient aux couches minces et au compactage de finition. Cette distinction détermine le type de machine et la conception du système de commutation de mode.

• Les plaques vibrantes et les pilonneuses sont de petites machines qui permettent le compactage dans des endroits inaccessibles aux gros rouleaux : pentes, zones proches des structures, tranchées d'excavation étroites, etc.

• Pour le pavage en asphalte, un rouleau à macadam (compactage initial), un rouleau tandem (compactage de finition) et un rouleau à pneus (compactage secondaire/lissage) sont utilisés successivement à chaque étape du processus.

1. Pourquoi compacter ? L'essai Proctor et la teneur en eau optimale

La résistance, la résistance au tassement, La perméabilité d'un remblai ou d'une couche de fondation est étroitement liée à la densité sèche du sol (la masse des particules de sol par unité de volume). En 1933, le chercheur américain Proctor a découvert que, pour un même sol compacté à différentes teneurs en eau, la densité sèche atteint un maximum à une teneur en eau particulière. Au Japon, l'essai de compactage des sols par pilonnage (un essai de laboratoire conforme à la norme JIS, équivalent à l'essai Proctor) est utilisé pour étudier cette relation.

Lors de cet essai, un échantillon de sol est placé dans un récipient appelé moule, et un pilon (poids) de masse spécifiée est lâché à plusieurs reprises en chute libre d'une hauteur déterminée afin de le compacter. Le compactage à environ 6 à 8 teneurs en eau différentes, suivi de la représentation graphique de la relation entre la teneur en eau et la densité sèche sous forme de « courbe de compactage », donne une courbe en forme de pic. La teneur en eau pour laquelle la densité sèche est maximale est appelée teneur en eau optimale (w_{opt}), et la densité sèche à ce point est la densité sèche maximale (\rho_{d,max}). Pour un sol sableux grossier bien gradué… Pour un sol compacté, la courbe de compactage présente un pic marqué, avec des valeurs élevées pour \rho_{d,max} et faibles pour w_{opt} (à titre indicatif, w_{opt} se situe entre 8 et 20 % et \rho_{d,max} entre 1,7 et 2,1 g/cm³). À l'inverse, pour un sol cohésif à forte teneur en fines, la courbe est plus douce, avec des valeurs plus faibles pour \rho_{d,max} et plus élevées pour w_{opt} (à titre indicatif, w_{opt} se situe entre 30 et 70 % et \rho_{d,max} entre 1,1 et 1,3 g/cm³, pour la méthode A).

Sur le terrain, le critère de gestion est le pourcentage de la densité sèche maximale déterminée en laboratoire atteint par la densité sèche réelle du sol compacté (degré de compactage). Un sol dont la teneur en eau est loin de la valeur optimale n'atteindra pas la densité cible, quelle que soit la puissance de la machine. La force est augmentée. L'ajustement du taux d'humidité par arrosage ou aération, ainsi que la capacité de compactage de la machine, doivent toujours être considérés comme un tout.

2. Mécanisme d'excitation d'un rouleau vibrant

Un rouleau vibrant possède un arbre rotatif avec une masse excentrée (masse déséquilibrée) à l'intérieur du tambour. La force d'excitation est générée par la rotation à grande vitesse de cet arbre grâce à un moteur. Soit m_e la masse de la masse excentrée, r_e sa distance excentrée par rapport au centre de rotation et \omega sa vitesse angulaire. L'amplitude de la force centrifuge (force d'excitation) est alors :

Comme la vitesse angulaire \omega=2\pi f (où f est la fréquence), plus la fréquence est élevée, plus la force d'excitation augmente fortement, proportionnellement au carré de la vitesse angulaire. La force transmise au sol par le tambour est : La charge statique due au poids propre du tambour, M_{drum}g, se superpose à la force d'excitation rotative, F_c\sin(\omega t). En pratique, la force d'excitation est souvent fixée à environ 2 à 3 fois le poids propre du tambour, ce qui signifie que le tambour applique périodiquement une charge dynamique suffisamment importante pour le soulever momentanément du sol.

L'amplitude a est déterminée par une valeur proche de :

le rapport entre le moment statique du poids excentré m_e r_e et la masse équivalente M_{eq} du système vibrant, tambour inclus. La fréquence et l'amplitude sont des paramètres qui peuvent être conçus et ajustés indépendamment : une grande amplitude et une basse fréquence permettent à l'énergie de compactage de pénétrer profondément dans les couches de sol épaisses, ce qui convient au compactage initial de couches épaisses comme un remblai ; à l'inverse, une faible amplitude et une haute fréquence concentrent l'effet près de la surface, ce qui convient à des applications comme le compactage de finition de l'asphalte qui exigent des couches minces et une fréquence élevée. Planéité. De nombreuses machines actuelles proposent des modes de fonctionnement qui modulent la fréquence et l'amplitude par paliers, permettant ainsi à un même appareil de couvrir toutes les étapes, du dégrossissage au compactage de finition.

Le SV160DV de Sakai Heavy Industries affiche une fréquence de 28,3 Hz (vibrations élevées) et une force d'excitation de 343 kN, une valeur de référence pour les rouleaux vibrants de taille moyenne à grande utilisés en terrassement.

3. Plaques vibrantes et pilonneuses : Compactage en espaces restreints

Sur les pentes, à proximité des structures, autour des canalisations enterrées et dans les tranchées étroites – des endroits inaccessibles aux grands rouleaux vibrants – on utilise des plaques vibrantes ou des pilonneuses portables. Une plaque vibrante est équipée d'un mécanisme de vibration intégré à sa face inférieure, lui permettant d'effectuer des mouvements d'avant en arrière et latéraux pour un compactage uniforme. Une pilonneuse applique un impact par rebond vertical, ce qui la rend adaptée aux trous verticaux étroits et au remblayage.

Plaque vibrante de Mikasa Sangyo Le MVC-40H affiche les caractéristiques suivantes : une masse de 49 kg, une force centrifuge de 7,2 kN (730 kgf) et une fréquence de 103 Hz (6 200 tours par minute). Sa force d’excitation est nettement inférieure à celle d’un gros rouleau vibrant, mais sa fréquence est, à l’inverse, plus élevée. Cela indique qu’il est conçu pour une utilisation manuelle dans des espaces restreints, permettant un compactage fin. Sa légèreté (49 kg) est due à une conception privilégiant la maniabilité et la portabilité.

4. Rouleaux compacteurs pour asphalte : Utilisations différenciées selon l’étape du processus

Le compactage de l’asphalte ne peut être réalisé par une seule machine. Le rouleau à macadam, équipé d’une roue en acier à l’avant et de deux à l’arrière, est lourd (environ 6 à 16 tonnes) et sert au compactage des gravillons et au premier roulage du mélange bitumineux. Le rouleau tandem, avec des roues en acier couvrant toute la largeur du véhicule à l’avant et à l’arrière, peut couvrir une large surface en une seule opération. Convient pour le compactage de finition. Le rouleau pneumatique, équipé de pneus en caoutchouc à l'avant et à l'arrière, offre une répartition de la pression au sol facilement ajustable grâce à la pression des pneus et est utilisé pour le compactage secondaire et le lissage de surface. Le rouleau combiné, équipé de roues en acier et de pneus, couvre un large éventail d'opérations, du compactage initial à la finition, avec une seule machine.

Sur le chantier, la séquence typique est la suivante : compactage initial (rouleau à macadam ou rouleau vibrant) pour obtenir la densité maximale, compactage secondaire (rouleau pneumatique) pour corriger les ornières et les irrégularités, et compactage de finition (rouleau tandem) pour affiner la régularité et la texture de la surface. Le compactage du mélange bitumineux devenant plus difficile lorsque sa température baisse, le calendrier des opérations de compactage et la combinaison des machines font l'objet d'une gestion du temps particulièrement rigoureuse dans le cadre du plan de construction.

5. Gamme d'équipements de compactage présents dans les produits actuels

L'ordre de grandeur de la force d'excitation, de la fréquence et de la masse diffère considérablement entre un rouleau vibrant de grande taille et une plaque vibrante mobile. Il ne s'agit pas simplement d'un cas où « le plus gros peut aussi faire le plus petit travail » ; cela montre que la philosophie de conception du système vibrant lui-même varie en fonction de l'épaisseur de la couche à compacter et de l'espace de travail disponible.

6. Résumé

Le rôle des équipements de compactage est d'appliquer des charges répétées au sol ou au matériau de revêtement, réduisant les vides pour atteindre une densité sèche et une capacité portante cibles. La teneur en eau optimale et la densité sèche maximale déterminées par l'essai Proctor fournissent la valeur cible pour l'ajustement de la teneur en eau. L'objectif de gestion de la construction, ainsi que la force d'excitation, la fréquence et l'amplitude d'un rouleau vibrant, sont les variables de conception qui déterminent la quantité d'énergie dynamique atteignant cette cible et la profondeur à laquelle elle se situe. Des plaques vibrantes aux rouleaux compresseurs d'asphalte, malgré les différences de type de machine, le principe de « transmission du poids propre et de la force d'excitation au sol, adaptés à l'épaisseur de la couche et au type de sol » est commun, et le choix du modèle et le séquencement des processus sur le chantier reposent sur ce principe fondamental.

Références

• Building Research Institute Testing Center — Compactage du sol par pilonneuse (Easy-to-Understand Test Series)

• Laboratoires d'essais Doken — Essai de compactage des sols par pilonneuse (conforme à la norme JIS)

• Ministère du Territoire, des Infrastructures, des Transports et du Tourisme, Bureau régional de développement de Chubu — Technologie de gestion du compactage par réponse à l'accélération du rouleau vibrant, le « système α »

• Mikasa Sangyo — Plaque vibrante MVC-40H

• ARAV — Qu'est-ce qu'un rouleau vibrant ? Types et utilisations, y compris pour les travaux de terrassement et le compactage

• ARAV — Qu'est-ce qu'un rouleau pour macadam ? Caractéristiques et différences avec un rouleau tandem