Geotechnical Characterisation of Subgrade and Sub-Base Materials for Road Pavement Design in Kasese District, Western Uganda

Les routes sont bien plus que de simples bandes d'asphalte ; ce sont des structures complexes construites sur une fondation de terre vivante et respirante. Dans le monde du génie civil, le sol situé sous une route est appelé la couche de fondation (subgrade), et la couche de matériau placée directement au-dessus est appelée la couche de base (sub-base). Ces couches agissent comme le socle de tout le système de chaussée, répartissant le poids lourd des véhicules afin que la surface ne se fissure pas ou ne s'affaisse pas. Cependant, la terre n'est pas uniforme. Dans certains endroits, le sol est sec et solide, tandis que dans d'autres, il est humide, mou et sujet au gonflement lorsqu'il est imprégné d'eau. Si les ingénieurs construisent une route sans comprendre le comportement spécifique du sol local, la route échouera prématurément, se transformant en un chemin cahoteux et dangereux qui nécessite des réparations constantes et coûteuses. Cela est particulièrement critique dans les régions à fortes précipitations et à inondations saisonnières, où l'eau peut transformer un sol solide en une boue faible et instable.

Dans le district de Kasese, dans l'ouest de l'Ouganda, une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de comprendre exactement ce qui se trouve sous les routes qui relient cette région dynamique. Kasese est un centre d'activité, attirant les touristes vers les montagnes de Rwenzori et le parc national de Queen Elizabeth à proximité, tout en servant de corridor vital pour l'exploitation minière et le commerce transfrontalier avec la République démocratique du Congo. Malgré son importance, les routes de cette région souffrent fréquemment d'une défaillance précoce. Le district connaît des précipitations importantes et est sujet aux inondations causées par des rivières comme la Nyamwamba et la Mubuku, qui inondent souvent les fondations routières. Pour résoudre ce problème, les chercheurs devaient dépasser les suppositions et les généralités. Ils ont mené une enquête détaillée pour cartographier le profil du sol et mesurer sa résistance, dans le but de fournir un guide clair et fondé sur la science pour concevoir des routes capables de résister à l'environnement local.

L'équipe a commencé son travail en creusant trente trous de test à travers le district, atteignant des profondeurs de deux mètres pour voir quels matériaux se trouvaient sous la surface. Ils ont collecté des échantillons de sol à intervalles réguliers et les ont apportés en laboratoire pour effectuer une série de tests. Ces tests mesuraient la quantité d'eau retenue par le sol, sa densité et son comportement lorsqu'il est compressé ou imbibé d'eau. Ils ont également examiné la taille des particules de sol, distinguant l'argile fine, le limon, le sable et le gravier. Ce processus a permis de construire une image claire de la composition du sol. Ils ont découvert que la couche supérieure, s'étendant de la surface jusqu'à environ 0,45 mètre, était composée d'argile organique brun foncé. Cette couche est inappropriée pour la construction de routes car elle est trop molle et instable. En dessous, de 0,45 mètre à 1,2 mètre, ils ont rencontré une couche d'argile limoneuse à plasticité faible à moyenne. Enfin, de 1,2 mètre à 2,0 mètres, le sol changeait pour devenir un sable mal gradué mélangé à du gravier, qui draine bien l'eau mais manque de la cohésion nécessaire pour maintenir la route.

L'analyse de ces matériaux a révélé des détails préoccupants concernant la couche de fondation, la couche qui soutient directement la route. Le sol de cette zone est principalement composé d'argile limoneuse et retient une quantité étonnamment élevée d'humidité naturelle, avec une moyenne de 28,1 %. Pour une construction routière stable, les ingénieurs préfèrent généralement des taux d'humidité compris entre 5 et 15 %. Comme le sol est très humide, il est plus faible qu'idéalement requis. Les chercheurs ont classé le sol en utilisant des systèmes d'ingénierie standards et ont constaté que 62 % des échantillons étaient classés comme pauvres à moyens, ce qui signifie qu'ils auraient du mal à supporter un trafic intense sans aide. Seuls 38 % étaient classés comme bons à excellents. Un facteur clé de cette faiblesse est la présence d'argiles expansives. Ce sont des sols qui gonflent considérablement lorsqu'ils absorbent l'eau et se rétractent lorsqu'ils s'assèchent, provoquant des fissures et des soulèvements du sol. L'étude a révélé que la capacité de gonflement du sol était assez élevée, certains échantillons présentant un potentiel d'expansion qui pourrait facilement endommager une route construite directement dessus.

Pour mesurer la force réelle du sol, l'équipe a effectué un test connu sous le nom de rapport de portance Californien (California Bearing Ratio), qui simule la pression que le sol peut supporter avant de céder. Ils ont testé le sol à l'état naturel et après l'avoir trempé pendant 48 heures pour imiter les conditions d'inondation. Les résultats ont montré que le sol imbibé était très faible, avec des valeurs de résistance allant de 5 % à 32 %, avec une moyenne de seulement 8,6 %. Cela est bien en dessous du seuil habituellement requis pour les routes non revêtues, indiquant que sans intervention, la route risquerait de s'affaisser ou de se creuser sous le poids des véhicules. Les chercheurs ont également calculé la rigidité du sol, trouvant qu'elle était relativement faible, ce qui confirme davantage la nécessité d'une conception robuste.

Cependant, l'histoire n'est pas uniquement faite de faiblesse. L'équipe a également recherché des matériaux pouvant être utilisés pour construire la couche de base, la couche placée au-dessus de la faible couche de fondation pour répartir la charge. Ils ont examiné le sol provenant de carrières d'emprunt approuvées dans des zones comme Kilembe et Hima. Ces matériaux se sont révélés bien mieux adaptés à la construction. Ils étaient composés principalement de sable avec un peu de gravier et une quantité modérée de fines, les classant comme excellents à bons pour la construction routière. Lors des tests, ces matériaux ont montré une résistance en état saturé de 18 à 42 %, ce qui répond aux exigences minimales pour une couche de base. Pourtant, même ces bons matériaux présentaient une vulnérabilité : lorsqu'ils étaient imbibés, ils perdaient entre 12 et 58 % de leur résistance. Cela souligne un point crucial : même les meilleurs matériaux locaux échoueront si l'eau stagne en eux trop longtemps.

Sur la base de ces résultats, les chercheurs ont proposé un modèle spécifique pour les futures routes du district. Ils ont recommandé une épaisseur totale de chaussée comprise entre 350 et 400 millimètres. Cette structure comprendrait une fine couche d'asphalte sur le dessus, suivie d'une épaisse couche de pierre concassée, puis d'une couche de base granulaire composée des meilleurs matériaux locaux. De manière cruciale, ils ont conseillé de retirer entièrement les 0,45 mètre supérieurs de sol organique et de les remplacer par une couche de remblai sélectionnée afin de garantir que la route repose sur une fondation stable. Pour gérer les fortes précipitations et les risques d'inondation, la conception met l'accent sur le drainage. La couche de base doit être composée de matériaux granulaires grossiers qui permettent à l'eau de circuler rapidement plutôt que de rester piégée. Les chercheurs ont également suggéré l'installation de drains de rive et de buses transversales à intervalles réguliers pour éloigner l'eau de la fondation de la route. Pour les zones les plus fragiles où le sol est trop mou ou trop expansif, ils ont recommandé de traiter le sol avec de la chaux ou du ciment pour le renforcer et réduire sa tendance au gonflement.

L'étude conclut que les routes du district de Kasese ont échoué par le passé non pas par manque d'efforts, mais par manque de connaissances spécifiques sur le sol local. En caractérisant le sol de manière détaillée, les chercheurs ont tracé une voie claire pour l'avenir. Les données montrent que, bien que le sol naturel soit souvent trop faible et trop humide pour supporter directement une route, cela peut être géré avec la bonne combinaison d'épaisseur, de drainage et de sélection de matériaux. L'approche recommandée, consistant à utiliser une chaussée plus épaisse avec des couches granulaires grossières et des systèmes de drainage améliorés, offre une solution pratique aux défis d'inondation de la région. Ce travail garantit que les futures routes seront construites sur une fondation qui comprend le sol sur lequel elles reposent, menant à des infrastructures plus sûres et plus durables pour les populations de l'ouest de l'Ouganda.