Ecole Mohammadia d’ingénieurs Département Génie civil- BPC
L E ES S F O ON N D D A T TI O ON N S S
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1) 2) 3) 4)
Fonctions des fondations Différents types de fondations Les tassements différentiels Facteurs de choix du type de fondation Origines des accidents pouvant survenir aux fondations
Fondation superficielle Généralités Les semelles Contrainte au sol Récapitulatif des états de contrainte du sol sous semelle Principe de dimensionnement Calcul des semelles Semelle supportant un effort normal et un moment de flexion Semelle excentrée Calcul des radiers Condition de mise en œuvres des fondations superficielles
Drainage associe aux fondations Joint de dilatation – Joint de rupture Qualité des ciments et bétons. Précautions usuelles Cas spéciaux Récapitulatif de la méthode de calcul des semelles
Rappel & Définition Utilisation Terme de pointe – Frottement lateral Différents types de fondations profondes
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Fonctions des fondations Différents types de fondations Les tassements différentiels Facteurs de choix du type de fondation Origines des accidents pouvant survenir aux fondations
Fondation superficielle Généralités Les semelles Contrainte au sol Récapitulatif des états de contrainte du sol sous semelle Principe de dimensionnement Calcul des semelles Semelle supportant un effort normal et un moment de flexion Semelle excentrée Calcul des radiers Condition de mise en œuvres des fondations superficielles
Drainage associe aux fondations Joint de dilatation – Joint de rupture Qualité des ciments et bétons. Précautions usuelles Cas spéciaux Récapitulatif de la méthode de calcul des semelles
Rappel & Définition Utilisation Terme de pointe – Frottement lateral Différents types de fondations profondes
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I.
Fonctions des fondations I.1. I.2. I.3. I.4. I.5. I.6.
II.
Assurer la stabilité de l'ouvrage et des fondations Assurer la résistance des massifs de fondations Vérifier la résistance du terrain de fondations Assurer l’équilibre des massifs de fondation S’assurer de la durabil ité des fondations
Trouver la solution la plus économique
Différents types de fondations II.1. Présentation des types de fondations II.2. La limite entre superficielle et profondes. II.3. La diffusion des contraintes dans le sol : la notion de BULBE.
III.
Les tassements différentiels
IV.
Facteurs de choix du type de fondation
V. VI.
Qui envisage la fondation Origines des accidents pouvant survenir aux fondations VI.1. Les fondations superficielles superficielles VI.2. Les fondations Profondes
VII.
Conclusion
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I. Fonctions des fondations C’est la partie de l’ouvrage en contact avec le sol auquel il va transmettre toutes les charges permanentes et variables supportées par cet ouvrage. La fondation est donc une partie importante de l’ouvrage car de sa bonne réalisation résulte de la tenue de l’ensemble.
Les fonctions des fondations sont essentiellement de deux ordres : 2. Transmettre ces charges et surcharges au sol dans de bonnes conditions, de façon à assurer la stabilité de l’ouvrage ; 3. Reprendre les charges et surcharges supportées par la structure. I.1.
Assurer la stabilité de l'ouvrage et des fondations
− Les tassements du terrain d'assise ne doivent pas autoriser de désordres graves des fondations
− −
−
−
−
et de l'ouvrage. Limitation des tassements compatibles avec l'utilisation de l'ouvrage (ordre de grandeur: de 5 à 25 mm). Éviter ou limiter les tassements différentiels. Tenir compte de la présence d'eau dans le sol (poussée d'Archimède). Vérifier que les poussées d'Archimède soient inférieures au poids de l'ouvrage (rare) sinon prévoir un ancrage du bâtiment par tirants ou prévoir un lestage. L'ouvrage ne doit pas se déplacer sous l'action des forces horizontales ou obliques appliquées à la structure (vent, poussées des terres, poussée hydrostatiques). Prendre les dispositions constructives adaptées à chaque cas (utilisation de bêches, frottements sol/béton suffisant, tirants ou clous,...). Éviter les glissements de l'ouvrage pour les constructions réalisées sur un terrain en pente et ne pas charger les semelles avoisinantes avec la semelle étudiée. Pente maximale entre semelles de fondations de 2/3 (env. 30°). Drainage périphérique.
I.2.
Assurer la résistance des massifs de fondations
Les actions qui sollicitent les fondations ne doivent pas entraîner leur rupture Respecter les règles en vigueur et le dimensionnement correct des fondations en fonction du type de l'ouvrage, des charges et surcharges supportées par la structure, de la nature du terrain, du type de fondations et des matériaux employés. I.3.
Vérifier la résistance du terrain de fondations
Les actions qui sollicitent le sol de fondations ne doivent pas entraîner son poinçonnement ni des déformations incompatibles avec l'utilisation de l'ouvrage supporté Respect des règlements en vigueur. L'étude des comportements du sol fait l'objet de la mécanique des sols.
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I.4.
Assurer l’équilibre des massifs de fondation
Les massifs de fondation doivent être en équilibre sous : − Les sollicitations dues à la superstructure; elles se manifeste mécaniquement en : Forces verticales ascendantes et descendantes ; Forces obliques ; Forces horizontales ; Moments de torsion et de réflexion. − Les sollicitations dues au sol; elles se manifeste mécaniquement sous la forme de : Forces verticales ascendantes et descendantes ; Forces obliques ; I.5.
S’assurer de la durabilité des fondations
La résistance des massifs de fondations doit être assurée pendant toute l'existence de l'ouvrage Les massifs de fondation doivent être protégés de l'oxydation, de l'érosion, de la décomposition chimique, de l'action du gel. Le sol devra être stable à l'érosion, au glissement de terrain, à la dissolution de certaines particules dans l'eau (gypse,...), au gel. I.6.
Trouver la solution la plus économique
On recherchera des solutions qui seront les plus économiques en fonctions du type d’ouvrage, des préconisations de l’étude de sols, de l’accessibilité au terrain (engins TP, de forage,…). Réduire les coûts de mise en œuvre conduit à choisir avec prudence parmi les solutions
compatibles avec l'ouvrage et le sol celle qui sera la plus économique. II. Différents types de fondations II.1.
Les types de fondations
• Les fondations superficielles
Lorsque les couches de terrain capables de supporter l'ouvrage sont à faible profondeur : semelles isolées sous poteaux, semelles filantes sous murs, radiers. • Les fondations profondes
Lorsque les couches de terrain capables de supporter l'ouvrage sont à une grande profondeur pour trouver le terrain résistant, soit flotter dans un terrain peu résistant. Dans ce cas on compte sur les forces de frottement pour s’opposer aux charges de l’ouvrage : puits, pieux • Les fondations surfaciques ou radier
L'emploi d'un radier se justifie lorsque la contrainte admissible à la compression du sol est faible, que le bon sol est situé en trop grande profondeur, les autres types de fondations transmettraient au sol des contraintes trop élevées, l'aire totale des semelles est supérieure à la moitié de l'aire du bâtiment, les charges apportées par l'ensemble du bâtiment ne risque pas d'entraîner des tassements différentiels incompatibles.
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II.2.
La limite entre superficielle et profondes.
Cette limite découle de l'équation simplifiée ci-dessus. Lorsque l'assise de la fondation est proche de la surface, le terme constitué par le poids des terres formant la vague est suffisamment faible pour être négligé. On est en fondations superficielles. Lorsque la profondeur d'assise augmente, ce terme devient significatif et l'on passe en fondations profondes. Ce passage s'effectue sans solution de continuité. Il fallait donc fixer une limite. Elle dépend du rapport B/H (B : largeur de la fondation et H profondeur d’assise) et varie suivant les auteurs. Dans les recommandations SOCOTEC, cette limite est fixée à 4. D’une manière générale cette valeur est communément admise par l’ensemble de la profession. II.3.
La diffusion des contraintes dans le sol : la notion de BULBE.
Lorsque la fondation est à l'équilibre, il existe, sous son assise et dans son environnement proche, des zones d'égale contrainte. Immédiatement sous l'assise, la valeur de la contrainte est celle calculée lors du dimensionnement de la fondation. En allant vers la profondeur, la contrainte effective diminue suivant un diagramme en forme de bulbe. L'angle au sommet des bulbes dépend de la qualité du sol. On remarque que la contrainte influence des zones situées au-delà de la stricte emprise de la fondation. On voit ici la possible influence d'une fondation sur un ouvrage voisin Attention : La relation entre contrainte et déformation donne l'image des tassements à attendre. On peut dont induire un tassement supplémentaire pour une fondation ancienne en venant se fonder à proximité.
III. Les tassements différentiels Les tassements différentiels entraînent des désordres dans des ouvrages. C’est pourquoi on
veillera à respecter les quelques règles qui suivent : Il est vivement déconseillé de réaliser des fondations sur un terrain remblayé. On prendra les dispositions nécessaires pour descendre les fondations au bon sol. On ne fonde pas un ouvrage sur sol dont les caractéristiques sont très différentes. On prévoira un joint de dilatation dans un ouvrage composé de bâtiments de hauteur différentes (immeuble haut et immeuble bas). Dans le cas d’un bâtiment avec deux types de fondations, on les divisera avec un joint de dilatation. On restera vigilant sur les deux types de fondations avoisinant (l’un pouvant charger l’autre : en tenir compte dans les calculs). Dans le cas d’un bâtiment fondé sur un terrain incliné, la pente entre les fondations voisines aura un rapport mini de 3/2. Si l’angle est supérieur à 3/2, il faudra donc descendre la semelle la plus
haute de manière à atteindre ce rapport.
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Les différents croquis qui suivent expliquent quelques cas de tassements différentiels.
L'ouvrage est fondé sur épaisseurs de remblai nettement différents. Il nécessaire de descendre fondations au bon sol.
L'ouvrage est fondé sur des des terrains de natures différentes. Éviter les fondations sur remblai très Il faut descendre les fondations récent : risque de tassements est sur le même sol ou prévoir des importants. Descendre jusqu'au les fondations donnant des bon sol. tassements équivalents
Bâtiment fondé sur terrain incliné. Dans ce cas, la pente Bâtiment sur deux systèmes de entre les fondations voisines Bâtiment de poids différents. fondations différents. Prévoir sera un rapport mini de 3/2. Prévoir un joint qui désolidarise un joint qui désolidarise les L'angle B est inférieur 3/2, il les deux bâtiments. deux bâtiments faudra donc descendre la semelle la plus haute de manière à atteindre ce rapport.
Figure 1 : les tassements différentiels
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IV. Facteurs de choix du type de fondation • La nature de l'ouvrage à fonder : pont, bât. D’habitation, bât industriel, soutènement,.... • La nature du terrain : connaissance du terrain par sondages et définition des caractéristiques • Le site : urbain, campagne, montagne, bord de mer,... • La mise en oeuvre des fondations : terrain sec, présence d'eau,... • Le type d'entreprise : matériel disponible et co mpétences,... • Le coût des fondations : facteur important mais non décisif.
V. Qui envisage la fondation Les fondations sont le résultat de la collaboration de plusieurs personnes : L’architecte qui dessine l'édifice, ces points d'appuis, son poids, sa forme Le bureau d'étude qui conseille un système de fondation en fonction du terrain L’ingénieur en béton armé qui calcul les dimensions des fondations afin qu'elles puissent supporter l'ouvrage sans risque de rupture ou de mouvements. VI. Origines des accidents pouvant survenir aux fondations Les accidents survenus aux fondations sont souvent liés aux mauvais choix du type de fondations et même à l'entreprise qui les avait réalisé
Les fondations superficielles : Fondations assises sur des remblais non stabilisés Fondations ayant souffert de présence d'eau dans le sol (nappe phréatique,...) Fondations hétérogènes (terrain, type de fondation,...) Fondations réalisées en mitoyenneté avec des bâtiments existants (sol décomprimé, règles des 3/2,...) Fondations réalisées sur des sols trop compressibles. Fondations réalisées à une profondeur trop faible (hors gel non conforme,..) Fondations réalisées sur des sols instables (terrain incliné, éboulement,...) Environ 85% des accidents sont dus à la méconnaissance des caractéristiques des sols ou à des interprétations erronées des reconnaissances. Les fondations profondes : L'essentiel des sinistres rencontrés sur ce type de fondations est une reconnaissance des sols incomplète ou une mauvaise interprétation des reconnaissances. Erreurs lors de l'exécution. Détérioration des pieux ou puits (présence d'eaux agressives,...) VII. Conclusion Il est vivement conseillé de faire réaliser une étude de sol avant de commencer l'étude des fondations. L'étude de sol peut faire faire des économies sur le type de fondations elle peut préconiser le déplacement du bâtiment vers une zone plus saine du terrain. Il est bien entendu cette étude sera faite avant même le dépôt de permis de construire et que la surface du terrain le permet et la majorité des problèmes de sinistre des fondations est du : − Bâtiment hors norme et construction anarchique ; − Mauvais dimensionnement ; − Nouveaux ouvrages adjacents ; − Venue d’eau ; Remblai insuffisamment tassé…
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I. Fondation superficielle II. Généralités II.1. II.2. II.3. II.4.
Charge admissible sur le sol de fondation Tassements admissibles Charges à prendre en compte vérification de la sécurité
III. Les semelles IV. Contrainte au sol X.1. X.2. X.3.
La contrainte fixée à l’avance La contrainte nom fixé à l’avance
Calcul des contraintes admissibles
V. Récapitulatif des états de contrainte du sol sous semelle VI. Principe de dimensionnement VII. Calcul des semelles VIII. Semelle supportant un effort normal et un moment de flexion VIII.1. Etude du diagramme des contraintes VIII.2. Calcul des armatures VIII.3. Dispositions constructives
IX. Semelle excentrée X. Calcul des radiers X.1. X.2. X.3.
Problèmes de la réaction du sol ? de chargement ? Hypothèses & Précautions Dimensionnement
XI. Condition de mise en œuvres des fondations superficielles XII. Drainage associe aux fondations XIII. Joint de dilatation – Joint de rupture XIV. Qualité des ciments et bétons. Précautions usuelles XV. Cas spéciaux XVI. Récapitulatif de la méthode de calcul des semelles 11
I. Fondation superficielle Appelées aussi fondations directes, elles transmettent les efforts directement sur les couches proches de la surface. On les utilise quand les couches géologiques surfaciques sont capables de supporter la construction. Considéré comme superficielle quand la profondeur D du D niveau de fondation par rapport au niveau 0 est inférieure à 4 fois la largeur B du massif de fondation. Si la distance entre deux semelles voisines est trop faible, on peut les associer et aboutir, dans le cas ultime, à un fondations filantes ou encore à un radier général sous l'ouvrage. Il s'agit du type de fondations le plus courant pour les habitations, les murs de soutènement, les
B
L
réservoirs… . Cette solution ne nécessite pas de
qualification particulière. Les fondations superficielles sont : Les fondations fonctionnelles : constituées par des semelles isolées sous poteaux ; Les fondations linéaires : constituées par des semelles continues sous poteaux ou murs ; Les fondations surfaciques : constituées par des radiers et cuvelage sous poteaux ou murs.
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II. Généralités La géométrie des semelles est similaire à une forme de patte d'éléphant avec à la base une couche de forme, et en dessus une forme pyramidale qui se prolonge par les organes porteurs de la structure. Cette forme caractéristique provient des contraintes qui s'appliquent à la fondation. Par exemple, une fondation large et peu épaisse cassera facilement et inversement, un gros massif rectangulaire correspondrait à un surcoût inutile. Sous les murs porteurs, cette semelle est continue : c'est une semelle filante. On peut trouver aussi ce type de fondations sous une file de poteaux très rapprochés. II.1. Charge admissible sur le sol de fondation La charge admissible doit être la plus faible de celle qui résulte : − des tassements maximaux et des tassements différentiels. − de la charge de poinçonnement au sol. NB : Si la charge admissible n’est pas conditionnée par le phénomène de tassement, on peut prendre comme valeur de la charge admissible le quotient de la charge de rupture par le coefficient de sécurité. La valeur de ce coefficient de sécurité est définie par le maître d’ouvrage.
II.2. Tassements admissibles Les tassements doivent être réduit jusqu'à satisfaire ces conditions : − L’ouvrage ne doit pas subir de désordre de structure nuisible. − Le tassement ne doit pas provoquer des désordres dans les ouvrages voisins. − Ils ne doivent pas perturber le fonctionnement des services utilisateurs. II.3. Charges à prendre en compte La charge à prendre en compte : résulte de la combinaison la plus défavorable des charges vertical, horizontal ou inclinée. On ne prend pas en compte la force de butée. Puisque si on l’adopte c’est vrai on aura une économie mais on n’est pas sur de la durabilité de cette butée. On peut négliger l’influence du vent lorsque la pression, sur les fondations, est inférieur 1/3 de
celle due aux autres charges et surcharges, on peut alors la néglige dans les calculs. II.4. vérification de la sécurité Lorsque la valeur de certaines surcharges est majorée en application des règles en vigueur (effet du vent, pressions extrêmes, effort horizontal des ponts, efforts sismiques, etc...) la vérification doit direct de la sécurité, doit se faire dans les conditions ci-après: Sous l’action cumulée dans le sens défavorable des dif férentes hypothèses envisagées, la contrainte du sol doit être au plus égale à la plus petite des trois valeurs ci-après: − ¾ de la contrainte de rupture du sol. − Valeur de la contrainte du sol correspondant au tassement maximum acceptable. − Valeur de la contrainte maximale autorisée par les règles parasismiques pour les constructions qui y sont soumises. , . b . 28. La contrainte de traction des La contrainte du béton doit être au plus égale à:15 armatures doit être au plus égale à la valeur admissible au sens BAEL
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III. Les différents semelles Superficielles Différents types de semelles existent : − −
Semelle continue Semelle isolée
Différents types de semelles continues : − Semelle flexible, de faible épaisseur. est surtout intéressante pour
Un sol de mauvaise qualité, la semelle flexible seras plus économiques
AV : moins encombrante ; cube de béton plus réduit ; résistance meilleure INC : nécessite d’utiliser beaucoup d’acier ; exécution plus compliquée ; pression maximal sur le sol supérieur. − Semelle rigide pour un sol de bonne qualité
Pleine
Evidée
AV : béton de moindre qualité ; exécution simple ; aucune majoration de pression du sol INC : nécessite plus de béton ; plus encombrante ; peut nécessiter un coffrage important. On peut différencier entre eux par le biais de formule de bonne pratique : h
B - b
4
0.05 m
Avec h ayant comme limite de 15 cm on ne peut pas descendre plus bas.
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IV. Contrainte au sol Il y’a deux cas à envisager. La contrainte fixée à l’avance
:
Dans le cas de connaissance ultérieure des réalisations existantes ou à défaut d’essais expérimentaux on pourra prendre : Type de sol Contrainte admissible Sol mou 0.4bar Sol consistant 0.8bar Sable fin ou moyen 1à2bar Sable grossier
2 à 3bar
Type de sol Sol mi dur Sable et gravier Sol dur
Contraint admissible 1.5 à 3 bar 3 à 4 bar 3 à 5 bar
Roche peu fissurée
10 à 15 bar
Tableau 1 : Différentes valeurs de contrainte fixée a l"avance
Limon de plateau 1.5 à 3.0 bars ; Terre à meulière 3.0 à 4.5 bars ; Marne verte, argile 0.7 à 4.5 bars ; Alluvions anciennes, sables, graviers 6.0 à 9.0 bars ; Sables de beauchamp 7.5 à 15 bars ; Craie 9.0 à 10 bars ; Marne + caillasse 7.5 à 15 bars ;Calcaire grossier 18 à 45 bars ; Roches peu fissurées saines non désagrégées de stratification favorable 7.5 à 4.5 bars ; Terrain non cohérent à bonne compacité 3.5 à 7.5 bars ; Terrain non cohérent à moyenne compacité 2.0 à 4.0 bars ; Argile 0.3 à 3.0 bars La contrainte nom fixé à l’avance
:
Une étude géotechnique complète est à réaliser afin de déterminer avec précision :
La densité ou le poids spécifique γ L’angle de frottement φ
La cohésion C Pour une étude plus approfondie et complexe, on peut même déterminer la perméabilité, les
limites d’Atterberg, la compressibilité, le module d’élasticité et le coefficient de poisson. Théoriquement, il y a deux contraintes admissibles à étudier : La contrainte limite d’élasticité et
la contrainte de poinçonnement, mais en pratique, on utilise que la deuxième car elle est souvent la plus déterminante. Calcul des contraintes admissibles: a. Caractéristiques du sol: (voir cours de mécanique des sols)
Les grandeurs physiques utilisées seront: Poids spécifique du sol sec: d Poids spécifique des grains: s Cohésion non drainée: Cu Angle de frottement effectif: ‘ Cohésion effective: C’ 15
b. Paramètres de calculs:
Les fonctions de portance utilisées dans le calcul des contraintes admissibles sont désignées par: N
Nq
Nc
c. Coefficients de sécurité:
Les valeurs calculées à l’aide des fonctions de portance visées correspondent aux contraintes de rupture du sol; ces valeurs doivent être affectées d’un coefficient de sécurité pour obtenir les
contraintes admissibles. d. Hypothèses de calcul:
On admet que le sol, sous la largeur de la fondation se comporte comme un coin lié à celle-ci et
s’enfonçant dans le sol; la face latérale du coin faisant un angle de
4
horizontale de la semelle.
2
avec la sous face
Inclinaison du coin de sol
45°
e. Méthode de calcul:
Pour les sols à dominante sableuse, les calculs doivent être fait après consolidation, en partant des caractéristiques C’ et ‘.
Pour les autres sols, on doit faire la double vérification concernant la pression de poinçonnement admissible: avant consolidation en partant de Cu et u (nul pour les argiles saturées). En fin de consolidation en partant de C’ et ‘.
− Contrainte admissible pour
0 sous semelles recevant des charges verticales centrées.
Pour la vérification avant consolidation, N, Nq, Nc sont pris avec la correspondance u La cohésion est prise avec la valeur Cu. a. Semelles continues: a h D
h N h d N q 1 C' N c
F h = Poids spécifique du sol humide au-dessus de la nappe d’eau.
F = Coefficient de sécurité
Si le terrain est immergé, h doit être déjaugé et remplacé par: d .
s 1 s
= paramètre appelé rayon moyen, rapport de la surface au périmètre de la fondation.
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Pour une semelle rectangulaire de largeur B et longueur L, on obtient:
B
2.1
Pour la semelle continue, on peut négliger B/L d’ou:
B
L
B
2
D = hauteur de pénétration de la semelle dans le sol B = largeur ou diamètre de la semelle L = longueur de la semelle (B < L) b. Semelles isolées rectangulaires: s h D
h N h d N q 1 1,3.C ' N c
F
c. Semelles isolées circulaires de diamètre 2R: 0,6 h R. N h d N q 1 1,3.C ' N c s h D
F
− Contrainte admissible pour
= 0 sous semelles recevant des charges verticales centrées. 5,14C u s h D a. Semelles continues: F B 5,141 0,3 C u L b. Semelles isolées rectangulaires: s h D F
c. Semelles circulaires: il suffit que B = L dans la semelles isolée rectangulaire Contraintes admissibles du sol sou semelles recevant des charges verticales excentrées. Si l’excentrement par rapport à l’axe de la semelle vaut la valeur e, remplacer dans les formules précédentes B par B’ = B-2e
V. Répartition des pressions sous la semelle Les variables principales régissant la répartition des pressions sur le sol au contact d’une fondation sont :
La nature du sol
La rigidité de la fondation
Différents hypothèses ont été faites sur cette répartition, différentes méthodes existent parmi elles : répartitions uniforme, élastique, BUISSMAN, LOUZIER ; nous pouvons néanmoins synthétiser leur conclusions et admettre dans les calculs courants, les répartitions suivantes :
Sol rocheux
Semelle rigide : diagramme bitriangulaire Semelle flexible : diagramme rectangulaire
Sol cohérent Dans tous les cas : diagrammes rectangulaire Sols pulvérulents Semelle rigide : diagramme rectangulaire Semelle flexible : diagramme triangulaire
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VI. Récapitulatif des états de contrainte du sol sous semelle: Sol pulvérulent
Sol cohérent
Sol rocheux ou Roche
Répartition réelle Rigide Répartition de calcul
Répartition réelle Flexible Répartition de calcul
Tableau 2 : les états de contrainte du sol
VII. PRINCIPE DE DIMENSIONNEMENT Les dimensions de la surface d’assise sont calculées de façon à ce que les contraintes dans le sol n’excèdent pas les valeurs limites relatives à la contrainte admissible dans le sol.
En outre, comme les semelles sont des pièces dont la hauteur est suffisamment comparable aux autres dimensions, elles ne satisfont pas aux hypothèses de la résistance de matériaux. Pour le calcul des semelles, on utilise la méthode des bielles mise au point à la suite des essais et qui consiste à admettre que les efforts provenant du mur ou de poteau sont transmit au sol par l’intermédiaire des bielles du béton obliques et équ ilibrées par les armatures.
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VIII. CALCUL DES SEMELLES
Semelle filante sous mur : a. Semelles filantes en béton armé: Lorsque l’importance des charges ou la faible valeur de pression admissible, conduisent à des semelles dont la largeur est relativement importante par rapport à l’épaisseur des murs, on est
conduit à réaliser des semelles en béton armé. Les expériences ont montré que la pression sur le terrain, n’et pas uniformément répartie. Selon la nature du sol d’assise, la pression maximale peut
être atteinte au centre de la semelle ou sur les bords. Il apparaît donc que le problème, dans sa complexité ne peut être traité rigoureusement par le calcul. Néanmoins, il fallait trouver une méthode qui permette d’établir aussi simplement que
possible de telles semelles, puisque le problème se pose journellement au constructeur. La méthode de calcul utilisée est connue sous le nom de« méthodes des bielles », car la charge est supposée transmise au sol par l’intermédiaire de bielles inclinées dans la hauteur de la semelle.
Soit une semelle de largeur B, située sous mur où voile continu de largeur b et soumise à une charge P par unité de longueur Hypothèses de calcul :
Notre semelle est rigide, c’est à dire d
Bb 4
ce qui revient à dire que la bielle moyenne est
inclinée de 45°, donc on appliquera la méthode des bielles.
La réaction du sol sous la semelle est verticale et uniforme si la hauteur utile de la semelle est verticale et uniforme si la hauteur utile de la semelle vérifie la condition de rigidité.
Respecter la disposition constructive : e 6 6 avec e et en cm.
L’ensemble de deux bielles fictives (symétriques par rapport à l’axe de la semelle) et des armatures inférieur, fonctionne à la manière d’une ferme chargé en son sommet, dont les
armatures constituent le tirant.
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Figure 2 : Système équivalent
Pré dimensionnement :
La largeur B : soit sol la valeur de calcul de la contrainte du sol, la charge à prendre en compte vaut Q N.B :
Avec Q Avec
→
Q P 1..35 P 2
P : la charge à l’ElU appliquée en tête de la semelle. P2 : poids propre de la semelle inconnue lors du dimensionnement mais qu’on peut déterminer par approximation successive, il ne présente que quelque pour cent de la charge appliquée ( 5% de la charge).
Donc la largeur de la semelle vaut : B
Q sol 1m
Remarque : L’ensemble de deux bielles fictives (symétriques par rapport à l’axe de la semelle) et des armatures inférieur, fonctionne à la manière d’une ferme chargé en son sommet, dont les
armatures constituent le tirant 20
Calcul des armatures :
Figure 3 : Méthode des bielles
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On a dP
P B
dF x
&
d
x ht
dP dF x
D’où
Px Bht
dx
B
D’où
F x
On utilise les triangles suivant :
2
Px
x
t
Bh
dx
PB 8ht
BDO’
(1
4 x 2 B 2
&
)
ADO
Et on a : B B b ht
h d
F x
Donc :
P ( B b) 8(h d )
(1
4 x 2 B 2
) F 0 (1
Donc l’effort de traction transmis par les bielles aux armatures est.
4 x 2 B 2
)
P ( B b) 8(h d )
F 0
CC : La section d’acier pour équilibrer cet effort est :. A s
P ( B b) 8(h d ) s
Dispositions constructives : Dans ce cas il est inutile de prévoir un système d’armatures transversales pour équilibrer l’effort tranchant et il n’y a pas de vérifications particulières pour le poinçonnement.
Pour déterminer la longueur des barres, on compare As à la longueur de scellement
L s
F e 4 s
avec s 0.6 s f c 28 . Et s 1 pour les ronds lisses et vaut 1.5 pour les autres cas. A Si L alors les barres doivent être prolongées jusqu’aux extrémités de la semelle 2
s
s
4
comportant des ancrages courbes. A s
L s
A s
4 Si 8 alors les barres doivent être prolongées jusqu’aux extrémités de la semelle, mais pouvant ne pas comporter des crochets.
8 Si alors on n’utilise pas des crochets et on peut arrêter une barre par deux à la longueur 0.71A ou alterner des barres de longueur 0.86A.
L s
A s
22
Semelle rectangulaire sous poteau : C’est la méthode des bielles qui est la plus utilisée car elle permet de donner facilement la
hauteur de la semelle et les aciers nécessaires. Pour le calcul, il s’effectue comme pour une semelle filante, mais dans les deux directions, on va disposer deux nappes d’aciers ; une dans chaque direction.
Lorsque la nature du sol du terrain nécessite de donner aux fondations une rigidité longitudinale capable de palier les tassements différentiels, la fondation par semelle filante doit pouvoir porter les charges en travaillant en poutre longitudinale.
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Pré dimensionnement :
Considérant une semelle rectangulaire de dimensions A et B située sous un poteau rectangulaire, de dimensions a et b, et soumis à une charge centrée P. la charge Q à prendre en compte est définie de la même façon que pour les semelle filante sous mur.
Q
sol et
A
Les dimensions A et B sont données donnée par :
Les hauteurs utiles da et d b sont données par la condition de rigidité :
d a
Aa 4
d b
et
B b 4
avec
AB
(d b d a )
a
B b
.
a b
2
0.02m
Ou les sections d’acier Aa et A b ont les diamètres a et b La hauteur totale h doit vérifier : h max(d a , db ) 0.05m Pour ne pas avoir recours à la vérification d’effort tranchant.
La hauteur doit également être suffisante pour parer au risque de poinçonnement selon CAQUOT P 1 , 44 d on doit avoir : avec b0 : contra int e admissible en compression simple b 0
Calcul des armatures : Les sections d’acier seront donc égale à :
Aa
P( A a ) 8d a s
et
Ab
P( B b) 8d b s
Disposition constructive :
Les armatures disposées suivant le grand coté constitueront le lit inférieur du quadrillage, elles doivent être munies de retours ou crochets pour équilibrer l’effort provenant des bielles. Ces
retours ou crochets doivent avoir un rayon de courbure suffisant pour satisfaire la condition de nom écrasement du béton, ces retours se feront avec un angle au centre de 120° au minimum.
24
IX. SEMELLE AVEC UN EFFORT NORMAL ET UN MOMENT DE FLEXION
Ce cas se présente lorsque l’élément supporté par la semelle lui transmet une charge centrée et un
moment de flexion M, ce qui revient au même à une charge excentrée P située à la distance e
M P
. De l’axe du mur ou du poteau.
On suppose que la semelle étudiée est rectangulaire de dimension A et B.
Etude du diagramme des contraintes : Si l’on admet la répartition linéaire des pressions sous semelle, le diagramme des contraintes affecte la forme du trapèze ou d’un triangle, aucune traction du sol n’étant admise. Le diagramme
doit satisfaire aux conditions suivantes : Répartition trapézoïdale des contraintes : la contrainte au quart de la largeur de la semelle ne doit pas dépasser la valeur de la contrainte admissible c-à-d que l’on a :
-
3 M m 4
sol
Répartition triangulaire des contraintes. Celle-ci est considérée comme le cas limite du précèdent, la contrainte minimal étant égale a zéro, la contrainte maximal est alors : M 133 . sol .
25
Q e
B
cas limite pour e = B/6
B/ 4
a
a/3
Si e
B 6
alors P tombe à l’intérieur du noyau central et le diagramme des contraintes sera
trapézoïdal.
Si e
B 6
alors P tombe à l’intérieur du noyau central et le diagramme sera triangulaire.
Calcul des armatures :
-
Lorsque la différence entre la contrainte maximal et la contrainte minimal est inférieur a la moitié de la contrainte moyenne, on peut encore employer la méthode des bielles, mais en prenant en compte, non plus la charge verticale P agissant réellement sur le poteau, mais une charge fictive P’ obtenue en multipliant la surface totale de la semelle
par la contrainte. M m
-
M m
4
c' est à dire:
e
B 24
Lorsque la différence entre la contrainte maximale la contrainte minimal dépasse la moitie de la valeur de la contrainte moyenne , les armatures de la semelle doivent être déterminées en fonction des moments fléchissants auxquels sont soumis les différentes sections.
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X. SEMELLE EXCENTREES
Les semelles excentrées par rapport `a la charge qui leur est transmise proviennent de la nécessite de ne pas construire a l’extérieur du périmètre de la propriété. Pour permettre a la semelle d’être efficace sur toute sa surface, on met en place une poutre de redressement (ou longrine). On admet qu’une partie de la charge Nu1 est utilisée pour amener une répartition uniforme des contraintes du sol sous la semelle excentrée, de sorte que l’on a :
Pour remplir son rôle, la longrine doit être rigide et on adopte h ¸ l=10. Le calcul des aciers de la semelle 1 se fait sous la charge réduite N0u1 de façon classique. Le calcul des aciers de la semelle excentrée dans le sens transversal se fait par la méthode des bielles. Dans le sens longitudinal, il faut faire le calcul de la poutre de redressement sous le chargement donne sur la Figure
27
Une semelle est dite excentrée si la résultante des efforts verticaux ne coïncide pas avec le centre de gravité de la semelle. Ce cas peut se présenter aux limites de propriété ou au droit de joints de tassement ou à la proximité des poteaux prévus le long du mur mitoyen ou on n’a pas la
possibilité de trouver des semelles suffisamment étalées. La solution la plus utilisée consiste à créer une poutre rigide dite poutre de redressement reliant la semelle excentrée à la semelle voisine. On détermine sous le poteau une semelle dont le centre de gravité se trouve le plus possible de Bb l’axe du poteau, soit e cette distance qui vaut forfaitairement . Les dimensions de la semelle 2
sont calculées en supposant la semelle rigide et la répartition uniforme des contraintes du sol. Le moment à reprendre par la poutre de redressement est P e et le poteau ne doit pas alors être vérifié pour supporter ce moment. Si on appelle L la distance entre les deux semelles, on devra dimensionner la semelle excentrée en fonction d’un effort P P e ,et on vérifie que le poteau n’est pas soulevé sous l’effet de la l
composante
P
e alors qu’il n’est soumis qu’aux charges permanentes. l
e
28
XI. CALCUL DES RADIERS
La solution de radier général st en principe adoptée quand la construction peut être fondée à une profondeur généralement faible et Lorsque le sol de fondation ne peut supporter les contraintes élevées résultant de fondations sur semelles isolées et qu’il n’est pas envisagé de se fonder sur
une couche profonde plus résistante, il est possible de réaliser une fondation par radier ajouré ou plein. La construction ne doit pas être soumise à des surcharges présentant d’importantes dissymétries pouvant provoquer des tassements différentiels trop élevés entre les différentes zones du radier. La contrainte du sol sollicité doit être quasi uniforme. Sol mauvais implique A et B grand donc chevauchement des fondations d’où la solution de radier devient la solution la plus adéquates. Problèmes de la réaction du sol ? C’est le principal problème des radiers puisque il est très difficiles de déterminer précisément la réaction du sol puisqu’elle dépend de beaucoup de variables (Nature du sol, chargement, rigidité du radier…)
Problèmes de chargement ? Il est très préférable d’avoir un chargement symétrique pour éviter la rotation du radier.
Hypothèses ; - symétrie - flexibilité - proportionnalité des déplacements. Précautions : - éviter la rotation générale du radier. - Eviter le poinçonnement. - Vérifier le poinçonnement. Dimensions: Dans l’hypothèse où les tassements différentiels sont peu à craindre, les poutres du radier peuvent
être dimensionnées suivant les mêmes conditions de flexibilité que celles prévues pour les planchers. Si les tassements différentiels sont à craindre, les poutres du radier devra être dimensionnées de telle sorte que la rigidité des fondations s’oppose aux grandes déformations. L’ensemble (radier + poutre) doit se comporter comme une structure indéformable, sur laquelle pourra s’appuyer le reste de l’ouvrage. Des joints de rupture seront prévus lorsque la compressibilité du sol varie d’une manièr e importante, ou lorsque le chargement en provenance
de la superstructure évolue brusquement. Si le radier est soumis à une sous-pression hydrostatique, le calcul doit en tenir compte. En aucun cas la sous- pression ne doit dépasser le poids de l’ouvrage (risque de soulèvement). Dans le cas contraire, il est nécessaire de prévoir soit un ancrage, soit un lestage supplémentaire, soit la liberté à l’eau de circuler au dessus du radier (afin de diminuer les pressions hydrostatiques).
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XII. CONDITION DE SUPERFICIELLES
MISE
EN
OEUVRE
DES
FONDATIONS
Les terrassements se font à la pelle mécanique (rarement à la main). L'implantation des ouvrages doit être parfaite avant les terrassements. On évitera les terrassements par temps de pluie. L'assise doit être horizontale (redans si nécessaire). L'arase supérieure aussi.... Curage des fonds de fouilles (exemple des sinistres avec galette de matériaux incompétents sous la semelle). Mise en oeuvre d'un béton de propreté. Calage des aciers.
XIII. DRAINAGE ASSOCIE AUX FONDATIONS
Toutes les assises de fondations superficielles doivent être protégée des eaux de ruissellement. Il faut empêcher les lessivages du sol par entraînement de fines et protéger le niveau hygrométrique du matériau d'assise (notamment en cas de présence d'argile). Le drain doit se trouver préférentiellement au-dessus de l'arase supérieure de la semelle s'il est réalisé contre le soubassement. Une disposition de la base de la cunette au même niveau que l’assise de la fondation est autorisée par le DTU. Elle cons titue un point de faiblesse potentielle de la protection contre les eaux et réduit la notion d’encastrement de la semelle.
XIV. JOINT DE DILATATION - JOINT DE RUPTURE
Les joints de dilatations ne sont pas reconduits au niveau des fondations. Ils sont, en général, arrêtés, soit au niveau supérieur des fondations, soit au niveau du plancher haut du VS ou du sous-sol. Leur fonction étant de permettre les mouvements de la structure engendrés par les comportements des différents matériaux lors des variations de la température, ils n'ont pas lieu d'être étendus à l'infrastructure. Les joints de rupture ou joints de tassements sont destinés à permettre à la structure d'encaisser des variations altimétriques de l'assise des fondations dans le cadre d'un tassement différentiel. Celui-ci peut être engendré par un chargement des fondations différent entre deux zones (plusieurs étages d'un coté et Rez simple de l'autre) ou par une variation du sol d'assise (d'où la nécessité d'une bonne analyse du rapport géotechnique). Le joint de rupture est également impératif dans le cadre de la mise en oeuvre de deux modes de fondations différents sur deux blocs d'un même bâtiment (fondation sur semelle d'un coté et fondation sur pieux de l'autre par exemple).
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XV. Qualité des ciments et bétons. Précautions usuelles: Il s’agit toujours de fissuration préjudiciable ou très préjudiciable, et il est conseillé d’utiliser un
ciment résistant aux agressions chimiques. Le choix d’un tel ciment sera fonction : De la résistance mécanique souhaitée (25 à 40 Mpa). De la résistance aux agressions chimiques du sol. (Basique ou acide) Notons que l’utilisation d’un ciment type CLK convient dans la majorité des cas.
Une construction ne peut associer la technique des semelles rigides avec celle des semelles flexibles, sauf dans le cas de l’utilisation des joints de rupture, séparant les deux techniques.
Dans le domaine du génie civil, les semelles flexibles sont rarissimes, car on préfère par sécurité à long terme recourir aux fondations profondes (pieux, puits, massifs de bétons cyclopéens). Les fondations flexibles sont réservées au bâtiment. Spécificités du génie civil: Toutefois, l’utilisation de fondations rigides en génie civil se fait pour des critères mécaniques beaucoup plus sévères qu’en bâtiment, et l’on retrouve fréquemment, pour des fondations rigides,
des armatures généreusement dimensionnées qui rappellent celles des fondations flexibles.
XVI. Cas spéciaux:
Sous-pressions: Les fondations formant un cuvelage doivent être calculées pour résister aux pressions hydrostatiques. Si l’eau peut monter au dessus des fondations, il n’y a pas lieu de tenir compte des sous-pressions, à condition de prévoir des dispositifs de sécurité dans ce sens
Poussée des terres: Il doit être tenu compte des effets de remblais, des charges de construction voisines dont les effets peuvent provoquer des poussées supplémentaires. Il doit être tenu compte de la poussée hydrostatique.
Fondations sur sol en pente: Les fondations supérieures ne doivent pas transmettre de poussées sur les fondations inférieures. Compte tenu des niveaux de base des fondations, il y a lieu de vérifier que les charges ne peuvent
entraîner de mouvement d’ensemble du terrain. Lorsque le sol d’assise ne peut donner lieu à un glissement d’ensemble, les niveaux de fondations successives doivent être tels qu’une pente
maximale de 3 de base pour 2 de hauteur relie les arêtes des semelles les plus voisines.
31
Pente maximale de 3 de base pour 2 de hauteur.
2
3
Fondations superficielles à proximité d’ouvrages sur pieux:
Les fondations superficielles ne doivent exercer aucune action dangereuse sur les pieux voisins. Fondations au voisinage des fouilles: Les charges exerçant des poussées vers le bord des fouilles ne doivent pas mettre en péril la stabilité locale du bord des fouilles. Sinon des consolidations doivent être effectuées.
Fondations sur sol argileux excavé: Il y a lieu de tenir compte des tassements supplémentaires dus au gonflement du sol argileux.
Joint de rupture: Un joint de rupture doit être aménagé entre 2 éléments d’ouvrage voisins, lorsqu’ils subissent des
différences importantes de charge et de tassement. Dans les sols très compressibles, l’action du
joint de rupture peut être insuffisante. Joint de dilatation: Sur sol homogène bien consolidés, les joints de ruptures coupant les fondations peuvent être évités. Les joints de dilatation normalement prévus sont alors arrêtés au-dessus des semelles de fondation. Cette disposition est moins coûteuse, mais n’est possible que pour des sols de bonne qualité mécanique, hydrauliques, et quand les fondations sont en dessous de la cote hors gel.
XVII. Récapitulatif de la méthode de calcul des semelles.
La méthode de calcul utilisée est « la méthode des bielles ». Avant de commencer un calcul de semelle, on doit avant tout réaliser une descente de charges qui donnera l’effort ultime sur le dessus de la semelle majorée d’un coef de 1.35 pour pouvoir la
dimensionner. Ensuite il faut connaître le taux de travail du sol. Cette information est présente sur le rapport de sol réalisé par une société spécialisée. Dimensionnement de la semelle : Semelle isolée :
La surface de la semelle devra satisfaire la relation suivante: S
Nu q
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S= surface de la semelle en cm² Nu= effort amené par l’ouvrage sur l a semelle en daN q= taux de travail du sol en bars
Base de la semelle : Si on choisit une semelle carrée on aura : a S a= le coté de la semelle
On arrondira les dimensions de la semelle à valeur entière supérieure et multiple de 5 Si on choisit la largeur de la semelle, on aura : b
S a
b= un coté de la semelle en cm a= un coté de la semelle qu’on aura imposée en cm Si la largeur de la semelle est d’environ 150 à 200cm, on pourra réaliser des glacis pour
économiser du béton mais la mise en oeuvre sera plus difficile (étude de prix à réaliser). Dans ce cas, il faudra avoir une hauteur de piedmont qui satisfera la relation suivante : hp=6ø+6cm ø= diamètre de l’acier en cm
Hauteur de la semelle h : Dans le cas d’une semelle de dimensions (AxB) avec un poteau (a’xb’) on pendra la hauteur la
plus importante de :
d
A-a ' 4
ou
d
B
- b ' 4
h=d+5 h= hauteur de la semelle en cm A et B= Cotés de la semelle en cm A’ et b’= Cotés du poteau en cm Calcul d’armatures de la semelle isolée :
Il faut faire très attention à l’utilisation des unités, une erreur est vite arrivée. Nu.(A - a) Calcul de la section des aciers principaux (en cm²) : Asa F 8.d.( e ) s Nu= effort amené par l’ouvrage sur la semelle en daN A= coté de la semelle a’= coté du poteau d= hauteur de la semelle moins l’enrobage Fe= Limite élastique de l’acier (prendre 5000) γ s= Coefficient (prendre 1.15)
On choisit les aciers à mettre en oeuvre en évitant que leurs espacements soient supérieurs à 30cm et inférieur à 7cm pour pouvoir bien placer le béton.
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Calcul de la section des aciers secondaires (en cm²) : As b
Nu.(B - b) F 8.d.( e ) s
Nu= effort amené par l’ouvrage sur la semelle en daN B= coté de la semelle b’= coté du poteau d= hauteur de la semelle moins l’enrobage Fe= Limite élastique de l’acier (prendre 5000) γ s = Coefficient (prendre 1.15)
Bien sur, si la semelle et le poteau sont carrés, on appliquera la formule une seule fois et les aciers seront identiques dans les deux sens. Un petit truc : si on a peu de semelles avec des armatures différentes dans les deux sens, on prend le cas le plus défavorable et on l’applique dans les deux sens. De cette façon, on n’aura pas de risque d’erreur lors de la pose sur le chantier. Vérification du poinçonnement : (a h).(b h) p u.1 AB
p 0,045.2.(a b 2.h).h. f c 28
Nu= effort amené par l’ouvrage sur la semelle en daN a’ b’= dimensions du poteau A B= dimensions de la semelle h= hauteur de la semelle fc28= limite à la compression de béton à 28 jours (prendre 25 Mpa (le plus courant) soit 250 bars)
Si la relation est vérifiée, la semelle est bonne, sinon il faudra changer de dimensions (souvent, on modifie la hauteur). Semelle filante : La méthode de calcul d’une semelle filante est la même que pour une semelle isolée sauf
que le calcul se fait dans un sens : Le sens transversal. Les armatures principales sont les aciers transversaux, les armatures secondaires servent de chaînages et d’aciers de répartition.
Le calcul est fait pour un mètre de longueur de semelle, la hauteur est calculée de la même façon que pour la semelle isolée. Calcul d’armatures de la semelle filante
:
Calcul de la section des aciers principaux (en cm² par mètre) :
As
Nu.(A - a ) F 8.d.( e ) s
Nu= effort amené par l’ouvrage sur la semelle en daN A= largeur de la semelle a’= largeur du mur d= hauteur de la semelle moins l’enrobage
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Fe= Limite élastique de l’acier (prendre 5000) γ s = Coefficient (prendre 1.15)
Calcul des aciers de répartition (aciers filants) : Ar=max (As/4, section mini pour chaînage)
On prendra la valeur maxi entre les ¼ de la section calculée ci-dessus et la section mini pour un chaînage à savoir : − 3.0cm² pour des ronds lisses Fe E215 − 2.0cm² pour des barres Fe E400 − 1.6cm² pour des treillis soudés ou des barres FeE500 Les recouvrements mini. Des barres filantes seront de 50 ø (50 diamètres de la barre concernée). L’espacement entre les répartitions ne dépassera pas 30 cm
(a h)
p 0,09.h. f c 28 A Nu= effort amené par l’ouvrage sur la semelle en daN a’ = dimensions du poteau A = dimensions de la semelle h= hauteur de la semelle fc28= limite à la compression de béton à 28 jours (prendre 25 Mpa (le plus courant) soit 250 bars)
Vérification du poinçonnement : p u.1
Si la relation est vérifiée, la semelle est bonne, sinon il faudra changer de dimensions (souvent, on modifie la hauteur). Semelle filante sans armatures transversales :
Il est possible de se passer d’armature transversale quand la hauteur de la semelle est supérieure à 2 fois le débord. La section d’aciers dans le sens longitudinal sera la même que le chaînages.
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1) RAPPEL DEFINITION 2) UTILISATION 3) TERME DE POINTE - FROTTEMENT LATERAL 4) DIFFERENTS TYPES DE FONDATIONS PROFONDES a. Les puits i. Diamètre des puits ii. Poids propre iii. Transition entre le poteau et le puits b. Une extrapolation des puits : Les barettes c. Les pieux i. Approche conceptuelle ii. Les modes de fonctionnement des pieux iii. Les principales dispositions constructives d. Les micro pieux i. Définition ii. Mise en œuvre iii. Cheminement des charges iv. Capacités habituelles v. Utilisation de la technique micro pieux. vi. Principaux défauts courants. e. Les colonnes ballastées i. Présentation de la technique ii. Mise en œuvre iii. Capacité portante, intérêt économique.
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1)
RAPPEL DEFINITION
Conformément à ce que l'on a vu plus haut, les fondations sont dites "profondes" lorsque le rapport H/B > 6. Les fondations profondes permettent de reporter les charges au-delà des couches de surface lorsque celles-ci sont incompétentes, en sollicitant des formations plus profondes. Elles peuvent être massives (puits) ou élancées (pieux). 2)
UTILISATION
Se type de fondation est à utiliser lorsque les fondations superficielles ne sont plus possibles, ce qui peut provenir des raisons suivantes : Défaut de portance du terrain en surface ou en qualité trop médiocre. Implantation au-dessus des carrières, non reconnues donc non consolidables. Implantation au dessus des zones de dissolution de terrain Ainsi dans tout ces cas soit en arrive a atteindre les couches consolider ou en laisse les fondations flotter et assurer la stabiliser de la structure par le biais des frottement. 3)
TERME DE POINTE - FROTTEMENT LATERAL
La fondation profonde présente une surface d'appui sur l'horizon d'assise égale à sa section. Cette surface engendre une réaction du sol appeler terme de pointe. Lorsque la fondation présente une dimension verticale importante, la surface de contact entre les flancs de la fondation et le terrain peut être le siège de frottements. Suivant le mode de réalisation ce frottement peut être significatif. Les efforts mobilisés au niveau de ce contact constituent le frottement latéral. 4)
DIFFERENTS TYPES DE FONDATIONS PROFONDES
On abordera donc les puits, les pieux, les micros pieux et, pour finir, les colonnes ballastées qui se trouvent à la marge des techniques de fondations et de traitement de sol. Nous avons classé notre approche des trois premières techniques par ordre décroissant de massivité des ouvrages. A. Les puits
Les puits se placent en limite des deux domaines de fondations. Ils se rattachent, par le principe de réalisation, aux fondations profondes, mais sont généralement calculés suivants les règles des fondations superficielles. Autrefois, la réalisation des puits était systématiquement manuelle. Couramment, les puits sont réalisés au tractopelle pour des profondeurs n'excédant pas 5 m. Ils sont bétonnés pleine fouille et ne comportent pas d'armature. On retiendra que l'assise d'un puits et rarement plane du fait de l'action de rétro du godet et que le curage du fond du puits demeure un exercice quelque peu illusoire. Compte tenu du mode de mise en oeuvre et des profondeurs relativement faibles, le frottement latéral est généralement négligé.
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On ne considèrera que le terme de pointe. Eléments techniques concernant les puits : - Ils sont bien adaptés à des descentes de charges ponctuelles (poteaux...) - Ils sont fréquemment reliés par un réseau de longrines BA qui supportent les murs et retransmettent les charges vers les puits. - En zone sismique, ils doivent être butonnés dans les deux directions. - La technique du puits est fréquemment employée, notamment dans le cadre de chantiers de faible à moyenne envergure. - Certaines entreprises ont développé des techniques spécifiques permettant de remplacer le béton des puits par du ballast compacté. Il s’agit alors de puits ballastés, fondés sur le
principe de substitution du matériau « sol » incompétent par un matériau de meilleure qualité et compacté en place. i. Diamètre des puits Le diamètre de ces colonnes dépends de la contrainte admissible du béton mis en œuvre et on
j / 6 ; du béton armé b0 0,3 ' j le calcul s’effectue sans se soucieux du problème de flambement compte tenu de la présence du terrain environnant. admet pour : du gros béton b0
'
ii. Poids propre On admet souvent que le poids de la colonne n’est pas à prendre en compte dans les vérifications
des contraintes du sol et du béton. iii. Transition entre le poteau et le puits
La transition est réalise par une semelle en béton de hauteur Ht, inférieures ou égale au diamètres. Cette semelle n’est pas armée lorsque le débord d est inférieur à Ht/2 et dans le cas contraire. Avec un ferraillage réaliser par des cerces : Q( ) Cerces à la partie basse : A 6 h a
Cerces réparties sur la hauteur h :
A
Q (
Q
h
)
3h a
B. Une extrapolation des puits : Les barettes
On a vu que la technique du puits est limitée notamment par le rayon d'action des engins de terrassements. Afin d'étendre cette technique, des engins spéciaux ont été construits. Ces engins permettent la réalisation d'excavations de petites sections (largeur 50 à 120 cm) jusqu'à des profondeurs importantes (plusieurs dizaines de mètres). On parle alors de barettes. L'excavation est bétonnée très rapidement après creusement et des dispositions de stabilisation des parois de la fouille sont à prévoir. On utilise notamment des boues spéciales (boues bentonitiques) capables d'exercer une pression sur les parois de la fouille et retarder leur éboulement (effet tixotropique). Ce dispositif permet de reporter les charges de fondations directement sur un bon sol exactement suivant le schéma du puits. La totalité de la charge est transmise par la base de la barrette. Les dimensions habituelles des barettes sont de l'ordre de 2,5 m x 1 m. Elles peuvent être groupées afin d'augmenter la capacité portante. La capacité portante d'une barrette peut atteindre plusieurs centaines de tonnes.
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C. Les pieux i. Approche conceptuelle
Le pieu est la réponse technique à l'éloignement en profondeur du sol porteur. Au-delà d'une certaine profondeur, les moyens mécaniques classiques ne sont plus opérants et il faut utiliser du matériel spécifique. La technique de pieux est plus adaptée des chantiers d'envergure. La mise en oeuvre est plus facilement adaptable à des conditions variées, et, enfin, la technique de pieux autorise, dans de nombreux cas, l'utilisation des forces de frottement latéral. Le principe est de concentrer les charges sur des points singuliers, où l'on met en œuvre des ouvrages spéciaux, et de les transmettre vers le sol d'assise de bonne résistance. On note que la trame d’infrastructure doit être en accord avec l’organisation de l’ossature en élévation, afin que les points de descente de charges coïncident avec les lieux d’implantation des pieux.
On retiendra deux catégories principales de pieux : 1. Les pieux battus. Pour les plus simples, il s'agit d'éléments préfabriqués (acier, béton ou bois) qui sont enfoncés dans le sol au moyen d'un dispositif de battage. Le battage est poursuivi jusqu'à obtention d'un couple de valeurs (enfoncement, énergie) correspondant à la résistance recherchée. 2. Les pieux forés. Ce sont des ouvrages mis en place à l'intérieur d'un trou réalisé préalablement par technique de forage. ii. Les modes de fonctionnement des pieux
Comme on l'a vu plus haut concernant les puits, la force portante des pieux peut provenir de deux domaines différents; le frottement sur le fût (ou frottement latéral) et l'appui direct par la section du pieu sur le fond du forage (pointe). a) Le terme de pointe : La capacité portante apportée par le terme de pointe peut être très importante si les conditions d'encastrement dans le bon sol sont respectées. Des abaques calculés permettent de déterminer cette valeur en fonction des caractéristiques du sol. b) Le frottement latéral : Dans certain cas, le terme de frottement peut devenir prépondérant sur le terme de pointe, notamment lorsque le pieu ne rencontre pas d'horizon réellement compact. On parle dans ce cas de pieux flottants. Il convient de se souvenir que la mobilisation du frottement latéral nécessite un déplacement relatif pieu – terrain. iii. Les principales dispositions constructives
Dispositions constructives : − Diamètre minimum d'ancrage dans le bon sol − Technique de bétonnage permettant le lavage du trou − Possibilité d'armer les pieux par mise en place d'une cage après bétonnage. − Recépage de tête : Cette tâche correspond au curage des bétons pollués remontés du fond et qui se trouvent en partie supérieure du pieu. Le recépage permet la mise à jour des armatures du pieu pour reprise dans le massif de tête de pieux ou dans un autre ouvrage. − Butonnage en tête dans les zones sismiques. Défauts courants : - Défaut d'implantation (très courant) - Défaut de verticalité (plus rare) - Lacune de bétonnage (grave et difficile à détecter). 40
D. Le micro pieux i. Définition
Les micros pieux sont définis dans le DTU comme des pieux forés de diamètre inférieur à 250 mm. Du fait de leur petit diamètre, ils ne travaillent pas en pointe. Leur portance ne dépend que du frottement latéral. ii.
Mise en œuvre
La réalisation commence par la confection d'un forage réalisé avec des machines de petites dimensions. Une armature de forte section est mise à poste dans le trou. On laisse le tube dépasser du trou pour mettre en oeuvre la tête de pieux. Ce tube est ensuite utilisé pour injecter dans le forage un coulis de ciment. Selon les charges et le type de sol, le coulis est injecté à faible pression, ou à haute pression. iii. Cheminement des charges
Les charges sont transmises par la superstructure à la tête de micro pieux. Le tube fait transiter les charges vers le coulis qui frotte contre les parois du forage, et dissipe ainsi les charges dans le terrain. Le mode d'injection influe sur les capacités de frottement. Plus le contact entre coulis et terrain est irrégulier et intime, plus le frottement est élevé. Dans le cas des injections haute pression, on peut arriver à "claquer" le terrain, c'est à dire à ce que le sol se "déchire" et que des excroissances de coulis s'immiscent dans le sol et augmentent d'autant les possibilités de frottement. iv. Capacités habituelles
Les charges habituellement reprises par des micros pieux de 140 mm (diamètre le plus courant) peuvent atteindre 50 à 80 tonnes. On les maintient, dans les projets, à des niveaux plutôt inférieurs par soucis de sécurité (30 à 40 tonnes). v. Utilisation de la technique micro pieux.
Cette technique est particulièrement adaptée à la rénovation et à la réparation des constructions. Elle fournit également une bonne réponse aux problèmes de fondation en bordure de constructions existantes. vi. Principaux défauts courants.
- Défaut de fiche par mauvaise interprétation du contexte géotechnique. - Défaut de bétonnage. - Mauvaise gestion du dispositif de tête de pieu. - Défaut d’inclinaison. 41
E. Les colonnes ballastées
Certaines entreprises ont développé des techniques spécifiques permettant de remplacer le béton des puits par du ballast compacté. Il s’agit alors de puits ballastés, fondés sur le principe de
substitution du matériau « sol » incompétent par un matériau de meilleure qualité et compacté en place. i. Présentation de la technique
La technique de colonnes ballastées se situe exactement sur la frontière entre traitement de sol et fondations profondes. Il s'agit d'obtenir une amélioration des caractéristiques du sol par une alliance entre des zones résistantes (les colonnes) et le terrain en place ayant subi une forte compression lors de la réalisation des colonnes. Cet effet est induit par le compactage intensif d'un matériau choisi (ballast) dans un forage. ii.
Mise en œuvre
On réalise une excavation par tout moyen adapté (benne preneuse, vibrofonçage...). On remplit cette excavation de matériaux de type ballast, que l'on compacte grâce à un pilon introduit dans le trou. Ce matériau repousse le terrain et compacte à son tour le sol encaissant. Le diamètre de la colonne dépend donc de la capacité du sol encaissant à se déformer lors de la phase de compactage. Une fois le chantier de colonnes achevé, le sol est en fait composite, avec une alternance de colonnes et de sol en place, compacté par l'action des colonnes. Le maillage de colonnes est déterminé par les caractéristiques du terrain et les charges à reprendre. L'ouvrage est ensuite fondé, soit sur les colonnes suivant une technique de fondation superficielles de type ponctuel, soit sur cette alternance de matériau en place recompacté et de colonnes par un système type radier (réservoir, dallage). iii. Capacité portante, intérêt économique.
Les colonnes ballastées classique offrent des portances de l'ordre de 20 à 30 tonnes par unités pour des diamètres de 0,60 à 1,20 m. Il s'agit d'un système intéressant dans le cadre de chantiers d'une certaine importance. Le coût est relativement faible mais le coût de l'installation est très élevé.
42
