Choix des engins de terrassement

Comprendre le Choix des Engins de Terrassement

Le choix des engins de terrassement est une décision stratégique qui impacte directement la productivité, les coûts et la durée d'un chantier. Il n'existe pas d'engin universel ; le choix optimal dépend d'une multitude de facteurs, notamment :

La nature et le volume des travaux : S'agit-il d'excavation en masse, de création de tranchées, de nivellement, de transport sur de longues ou courtes distances ?
Les caractéristiques du sol : Sol meuble, rocheux, cohésif, granulaire ? Cela influence la facilité d'excavation et le type de godet ou de lame à utiliser.
Les distances de transport : Pour des courtes distances, certains engins sont auto-chargeurs et transporteurs (ex: scrapers). Pour de plus longues distances, une combinaison d'engins de chargement (pelles) et de transport (camions, tombereaux) est souvent plus efficace.
Les conditions du site : Espace disponible pour manœuvrer, portance du sol, pente du terrain, conditions météorologiques.
Les rendements des engins : Capacité de chargement, vitesse, temps de cycle.
Les coûts : Coût d'achat ou de location, consommation de carburant, maintenance, main-d'œuvre.

L'objectif est de constituer un "atelier" d'engins (par exemple, une pelle et plusieurs camions) dont les rendements sont équilibrés pour minimiser les temps d'attente et maximiser l'efficacité globale. Cet exercice vous aidera à analyser différents scénarios pour faire un choix éclairé.

Données de l'étude

Un chantier nécessite d'excaver et de transporter un volume total de \(V_{\text{total_en_place}} = 10 \,000 \, \text{m}^3\) de terre commune.

Caractéristiques du sol et du transport :

Coefficient de foisonnement du sol (\(C_f\)) : \(1.20\) (la terre prend 20% de volume en plus une fois excavée)
Distance moyenne de transport (aller simple) : \(D = 800 \, \text{m} = 0.8 \, \text{km}\)
Durée journalière de travail effectif : \(7 \, \text{heures/jour}\)

Option A : Atelier Pelle + Camions

Rendement de la pelle hydraulique (\(R_{\text{pelle}}\)) : \(120 \, \text{m}^3\text{/h}\) (volume en place)
Capacité d'un camion (\(C_{\text{camion}}\)) : \(10 \, \text{m}^3\) (volume foisonné)
Temps de cycle d'un camion (\(T_{\text{cycle_camion}}\)) : \(20 \, \text{minutes}\)

Option B : Atelier Scrapers

Capacité d'un scraper (\(C_{\text{scraper}}\)) : \(15 \, \text{m}^3\) (volume en place)
Temps de cycle d'un scraper (\(T_{\text{cycle_scraper}}\)) : \(12 \, \text{minutes}\)

Schéma : Options d'Ateliers de Terrassement

Comparaison schématique de deux ateliers de terrassement : Pelle + Camions vs. Scrapers.

Questions à traiter

Calculer le volume total de terre foisonnée à transporter (\(V_{\text{total_foisonné}}\)).
Pour l'Option A (Pelle + Camions) :
1. Calculer le nombre de cycles de camion nécessaires pour évacuer tout le déblai.
2. Calculer le rendement horaire d'un camion en volume foisonné (\(R_{\text{camion_foisonné}}\)).
3. Calculer le rendement horaire de la pelle en volume foisonné (\(R_{\text{pelle_foisonné}}\)).
4. Calculer le nombre de camions (\(N_c\)) nécessaires pour que la pelle ne soit pas en attente.
5. Calculer la durée totale (en jours) pour réaliser l'excavation et le transport avec cet atelier optimisé.
Pour l'Option B (Scrapers) :
1. Calculer le rendement horaire d'un scraper en volume en place (\(R_{\text{scraper_en_place}}\)).
2. Pour terminer le chantier dans le même délai que l'Option A (calculé en 2.e), combien de scrapers (\(N_s\)) seraient nécessaires ?
Sur la base de ces calculs (sans considérer les coûts), quelle option semble la plus adaptée si l'objectif principal est la rapidité et que l'on peut mobiliser les engins nécessaires ? Argumentez brièvement.

Correction : Choix des Engins de Terrassement

Question 1 : Volume Total de Terre Foisonnée à Évacuer (\(V_{\text{total_foisonné}}\))

Principe :

Le volume de terre foisonnée est le volume que la terre occupera une fois excavée et décompactée. On le calcule en multipliant le volume en place par le coefficient de foisonnement.

Formule(s) utilisée(s) :

V_{\text{total_foisonné}} = V_{\text{total_en_place}} \times C_f

Données spécifiques :

Volume total de déblai en place (\(V_{\text{total_en_place}}\)) : \(10\,000 \, \text{m}^3\)
Coefficient de foisonnement (\(C_f\)) : \(1.20\)

Calcul :

\begin{aligned} V_{\text{total_foisonné}} &= 10000 \, \text{m}^3 \times 1.20 \\ &= 12000 \, \text{m}^3 \end{aligned}

Résultat Question 1 : Le volume total de terre foisonnée à transporter est \(V_{\text{total_foisonné}} = 12000 \, \text{m}^3\).

Question 2 : Option A (Pelle + Camions)

a) Nombre de cycles de camion nécessaires

On divise le volume total foisonné par la capacité d'un camion.

N_{\text{cycles_camion}} = \text{ArrondiSup}\left(\frac{V_{\text{total_foisonné}}}{C_{\text{camion}}}\right)

\(V_{\text{total_foisonné}} = 12000 \, \text{m}^3\)
\(C_{\text{camion}} = 10 \, \text{m}^3\)

N_{\text{cycles_camion}} = \frac{12000 \, \text{m}^3}{10 \, \text{m}^3\text{/cycle}} = 1200 \, \text{cycles}

b) Rendement horaire d'un camion en volume foisonné (\(R_{\text{camion_foisonné}}\))

Le temps de cycle d'un camion est de \(20 \, \text{minutes} = 20/60 \, \text{h} = 1/3 \, \text{h}\).

R_{\text{camion_foisonné}} = \frac{C_{\text{camion}}}{T_{\text{cycle_camion (heures)}}}

R_{\text{camion_foisonné}} = \frac{10 \, \text{m}^3}{1/3 \, \text{h}} = 30 \, \text{m}^3\text{/h (foisonné)}

c) Rendement horaire de la pelle en volume foisonné (\(R_{\text{pelle_foisonné}}\))

R_{\text{pelle_foisonné}} = R_{\text{pelle}} \times C_f

R_{\text{pelle_foisonné}} = 120 \, \text{m}^3\text{/h (en place)} \times 1.20 \] \[ R_{\text{pelle_foisonné}} = 144 \, \text{m}^3\text{/h (foisonné)}

d) Nombre de camions (\(N_c\)) nécessaires

Pour que la pelle ne soit pas en attente, le rendement total des camions doit être au moins égal au rendement de la pelle (exprimé dans la même unité de volume, ici foisonné).

N_c = \text{ArrondiSup}\left(\frac{R_{\text{pelle_foisonné}}}{R_{\text{camion_foisonné}}}\right)

N_c = \text{ArrondiSup}\left(\frac{144 \, \text{m}^3\text{/h}}{30 \, \text{m}^3\text{/h/camion}}\right) \] \[ N_c = \text{ArrondiSup}(4.8) \] \[ N_c = 5 \, \text{camions}

e) Durée totale (en jours) pour l'excavation et le transport

La durée est dictée par le rendement de la pelle, car nous avons dimensionné la flotte de camions pour ne pas la ralentir.

\text{Temps}_{\text{total_heures}} = \frac{V_{\text{total_en_place}}}{R_{\text{pelle}}}

\text{Temps}_{\text{total_heures}} = \frac{10000 \, \text{m}^3}{120 \, \text{m}^3\text{/h}} \approx 83.33 \, \text{heures}

\text{Durée}_{\text{jours}} = \frac{\text{Temps}_{\text{total_heures}}}{T_{\text{jour}}} \] \[ \text{Durée}_{\text{jours}} = \frac{83.33 \, \text{h}}{7 \, \text{h/jour}} \approx 11.90 \, \text{jours}

On arrondit à \(12 \, \text{jours}\).

Résultat Question 2 :

a) \(1200\) cycles de camion.
b) Rendement d'un camion : \(30 \, \text{m}^3\text{/h}\) (foisonné).
c) Rendement de la pelle : \(144 \, \text{m}^3\text{/h}\) (foisonné).
d) Nombre de camions nécessaires : \(5\).
e) Durée totale : environ \(12 \, \text{jours}\).

Question 3 : Option B (Scrapers)

a) Rendement horaire d'un scraper en volume en place (\(R_{\text{scraper_en_place}}\))

Le temps de cycle d'un scraper est de \(12 \, \text{minutes} = 12/60 \, \text{h} = 0.2 \, \text{h}\).

R_{\text{scraper_en_place}} = \frac{C_{\text{scraper}}}{T_{\text{cycle_scraper (heures)}}}

R_{\text{scraper_en_place}} = \frac{15 \, \text{m}^3\text{ (en place)}}{0.2 \, \text{h}} \] \[ R_{\text{scraper_en_place}} = 75 \, \text{m}^3\text{/h (en place)}

b) Nombre de scrapers (\(N_s\)) pour un rendement équivalent à la pelle

On veut un rendement total des scrapers au moins égal à \(R_{\text{pelle}} = 120 \, \text{m}^3\text{/h}\) (en place).

N_s = \text{ArrondiSup}\left(\frac{R_{\text{pelle}}}{R_{\text{scraper_en_place}}}\right)

N_s = \text{ArrondiSup}\left(\frac{120 \, \text{m}^3\text{/h}}{75 \, \text{m}^3\text{/h/scraper}}\right) \] \[ N_s = \text{ArrondiSup}(1.6) \] \[ N_s = 2 \, \text{scrapers}

Avec 2 scrapers, le rendement total serait \(2 \times 75 = 150 \, \text{m}^3\text{/h}\) (en place), ce qui est supérieur au rendement de la pelle.

Résultat Question 3 :

a) Rendement d'un scraper : \(75 \, \text{m}^3\text{/h}\) (en place).
b) Nombre de scrapers nécessaires : \(2\).

Question 4 : Choix de l'Atelier pour Terminer en 2 Jours

Principe :

On calcule le temps nécessaire pour chaque option avec le nombre d'engins déterminé, puis on compare au délai cible de 2 jours (soit \(2 \times 7 = 14\) heures de travail effectif).

Analyse Option A (Pelle + 5 Camions) :

Le rendement de la pelle est de \(120 \, \text{m}^3\text{/h}\) (en place). Temps nécessaire : \( \frac{10000 \, \text{m}^3}{120 \, \text{m}^3\text{/h}} \approx 83.33 \, \text{heures}\). Ce temps est bien supérieur à 14 heures. L'Option A avec une seule pelle et 5 camions ne respecte pas le délai. Pour respecter le délai de 14h, il faudrait un rendement de \(10000/14 \approx 714 \, \text{m}^3\text{/h}\). Il faudrait donc \(714/120 \approx 6\) pelles (et \(6 \times 5 = 30\) camions), ce qui est irréaliste pour un tel volume. L'énoncé initial visait à équilibrer la pelle, pas à atteindre un délai arbitraire.

Reprenons la question 2e : la durée calculée était de 12 jours, pas 2. Si l'objectif est de terminer en 2 jours (14 heures) :

Rendement nécessaire de l'atelier : \( \frac{10000 \, \text{m}^3 \text{ (en place)}}{14 \, \text{h}} \approx 714.29 \, \text{m}^3\text{/h (en place)}\).

Pour l'Option A : Nombre de pelles = \(\text{ArrondiSup}(714.29 / 120) = \text{ArrondiSup}(5.95) = 6\) pelles. Nombre de camions = \(6 \times 5 = 30\) camions.

Analyse Option B (Scrapers) :

Rendement d'un scraper : \(75 \, \text{m}^3\text{/h}\) (en place). Nombre de scrapers pour atteindre \(714.29 \, \text{m}^3\text{/h}\) : \(N_s = \text{ArrondiSup}(714.29 / 75) = \text{ArrondiSup}(9.52) = 10\) scrapers.

Conclusion pour un délai de 2 jours :

Pour respecter un délai de 2 jours (14 heures de travail), il faudrait soit un atelier de 6 pelles et 30 camions, soit un atelier de 10 scrapers. Le choix dépendra alors des coûts et de la disponibilité des engins. Les scrapers pourraient être plus adaptés pour un tel rendement sur une distance de 800m si le terrain le permet, car ils combinent excavation et transport.

Si l'on s'en tient aux calculs initiaux où l'on équilibre la pelle avec les camions (Option A avec 1 pelle et 5 camions) : L'Option A prendrait environ 12 jours. Pour l'Option B avec 2 scrapers (rendement \(150 \, \text{m}^3\text{/h}\)), le temps serait \(10000 / 150 \approx 66.67\) heures, soit \(66.67/7 \approx 9.52\) jours, donc environ 10 jours. Dans ce cas, l'option B avec 2 scrapers serait plus rapide.

Résultat Question 4 : Pour un délai strict de 2 jours, il faudrait 6 pelles et 30 camions (Option A) ou 10 scrapers (Option B). Si l'on compare l'Option A (1 pelle, 5 camions) à l'Option B (2 scrapers), l'Option B est plus rapide (environ 10 jours contre 12 jours). Le choix dépendra des contraintes réelles du projet (délai impératif, coût, disponibilité des engins).

Quiz Intermédiaire 1 : Les scrapers sont généralement plus efficaces que l'ensemble pelle/camions pour :

Des excavations très profondes et des sols rocheux.
Des transports sur de très longues distances (> 5 km).
Des mouvements de terre en masse sur des distances moyennes (quelques centaines de mètres à 1-2 km) et des terrains relativement plats.
Des travaux de finition et de petit nivellement précis.

Glossaire

Pelle Hydraulique: Engin de chantier polyvalent utilisé pour l'excavation, le chargement de matériaux, la démolition, etc.
Camion Benne (ou Tombereau): Véhicule utilisé pour le transport de matériaux en vrac (terre, granulats, etc.) sur les chantiers.
Scraper (Décapeuse): Engin de terrassement qui excave, charge, transporte et décharge les matériaux sur de courtes à moyennes distances. Particulièrement efficace pour le nivellement de grandes surfaces.
Rendement (Engin): Quantité de travail (par exemple, volume de terre déplacé) qu'un engin peut accomplir par unité de temps (généralement par heure).
Temps de Cycle: Durée totale nécessaire à un engin pour effectuer une opération complète et revenir à son point de départ pour la suivante.
Foisonnement: Augmentation du volume d'un sol lorsqu'il est excavé et décompacté.
Coefficient de Foisonnement (\(C_f\)): Rapport entre le volume foisonné et le volume en place du sol.
Atelier d'Engins: Ensemble d'engins travaillant en coordination pour une tâche spécifique (par exemple, une pelle et plusieurs camions formant un atelier d'excavation-transport).