les fondations

Les Fondations

 

Fondations et ouvrages de soutènement 

La fondation est la partie d'un ouvrage qui sert exclusivement à transmettre au sol naturel le poids de cet ouvrage. Elle doit être telle que la construction dans son ensemble soit stable. Nature du sol et superstructure du bâtiment sont intiment liées. Le problème se présente de la façon suivante.

Connaissant,

Les charges à transmettre au sol: 

* charges permanentes

*action variable d'exploitation

*actions variables climatiques.

La nature et les caractéristiques du terrain, il s'agit de choisir le type des fondation et les dimensionner.

Connaissance des charges 

Une construction est destinée à un certain usage: habitation, bureau, école, hôpital .....

La norme NF P 06-001 "charges et surcharges à admettre dans les constructions" donne les actions variables d'exploitation à retenir en fonction de la destination de la construction. Les calculs d'avant-projet permettent de déterminer la structure d'un bâtiment (porteurs continus, ossature et remplissage) et de dimensionner les éléments porteurs, donc d'évaluer les charges permanentes : poids mort ou poids propres. La situation du bâtiment (zone géographique, site, altitude...) donne les action variable climatique précisées par les "règles définissant les effets de la neige et du vent sur les constructions" NV65 et les "règles NV 84" d'août 1987 relatives à la neige seule.

A partir des plans d'avant projet on réalise la descente des charges, c'est à dire que l'on calcule les charges totales au pied du bâtiment, donc au niveau des fondations (au contact avec le sol)

* par mètre linéaire de porteur continu

* pour chacun des appui isolés (poteaux).

On peut admettre pour un bâtiment  d'habitation un poids (charges et surcharges confondues) est de 1t/m² et de 1,2 t/m² pour un immeuble de bureaux.

Exemple: un bâtiment de  50x10 m au sol, à 10 étages; le poids total est de 5000t soit 10 t au sol en cas de radier général d'ou une contrainte du sol.

Connaissance du sol

Pour le projeteur, les résultats de la compagne de reconnaissance se réduisent essentiellement:

- à la détermination de la couche d'assise en position (profondeur), puissance (contrainte admissible), comportement (tassement); 

- à la connaissance de la position de la nappe phréatique.

Choix du type de fondations 

S’il existe à une profondeur relativement faible une couche de sol capable de supporter l’ouvrage, on peut l'y asseoir au moyen d'une fondation superficielle.

En revanche, si les couches superficielles sont trop faibles, les charges seront transmises à un matériau de meilleure qualité situé à une plus grande profondeur, au moyen de puits (diamètre>80cm) espacés ou de pieux (diamètre ~ 60 à 80 cm) plus serrés; on parle de fondation profonde. 

Enfin dans certains cas, on est amené à construire dans des conditions difficiles: présence d'une nappe aquifère, pays minier, vibrations etc... Qui impliquent de recourir à des fondations particulières ou spéciales.

 

Dimensionnement des fondations. Il s'agit essentiellement de déterminer

* la surface de contact dans les cas de semelle, radiers, puits, de telle sorte que : charges / surface < contrainte admissible du sol.

* le nombre de pieux susceptibles de présenter une charge portante totale, supérieure ou égale à la charge à fonder. il vaut mieux éviter l'expression assez courante de "bon sol" peu significative. on dispose d'une sol, le problème étant d'adapter la fondation et, parfois même, la structure du bâtiment à ce sol, ce qui implique une naissance dés le stade de l'avant-projet. Un bâtiment courant est rarement très lourd par rapport à son emprise au sol, des taux de travail de l'ordre de 4 à 5 bars sont très corrects. Or un homme pesant 80 kg, sur un talon, exerce couramment sur le sol des contraintes de cet ordre (sans tenir compte des effets dynamiques).

Certains bâtiments sous l'effet des sous-pressions (sous-sols enterrés au dessous du niveau des plus hautes eaux) doivent être lestés, ancrés, et, dans certains cas, l'inondation du sous sol et prévu. Le parking de la place belle cour à Lyon est par exemple lesté. Enfin, tous les bâtiments"tassent"l'essentiel consiste à éviter que les tassements soient différents sous l'ensemble de la construction.

Soit en réalisant:

* une fondation très rigide - radier -caisson (analogie avec une coque de bateau)

* fractionnant la construction par des joints de rupture ou de tassement dans lesquels on espère que se circonscriront les mouvements relatifs éventuels.

 

Les fondations superficielles:  

Ces fondations sont praticables lorsque le sol d'assise est directement accessible du dernier niveau excavé (sol des caves ou du sous-sol). Lorsque les porteurs verticaux de l'ouvrage reçoivent des supports distincts, il s'agit de longrines ou semelles. Si, en revanche, la fondation est constituée d'une dalle unique plus ou moins raidie, recouvrant la couche portante sur la totalité de l'emprise au sol du bâtiment, la fondation est désignée sous le nom de radier.

Longrines en gros béton: Une longrine est une fondation constituée par un lit de béton faiblement dosé (environ 250kg/m3) coulé directement en tranchée sous les murs, de hauteur au moins égale à la moitié de la largeur, dont le béton travaille en compression (effet de bielle). Ne comportant aucune armature transversale, donc inapte à travailler en flexion dans ce sens, ce type de fondation implique une structure portante, ou ossature, constituée de murs porteurs continus sans appui isolé (poteau).

Les longrines reçoivent fréquemment quelques aciers longitudinaux en forme de chaînage, qui ne font pas l'objet d'un calcul précis, mais garantissent l'intégrité de la semelle en cas de faible tassement. Elles sont axées sous les murs de telle sorte que la résultante des charges soit à l'aplomb de la résultante des réactions du sol, dans le cas général, bien sur, où les charges sont elles-mêmes centrées dans l'épaisseur du mur. La largeur de la longrine est déterminée par la relation.

L>  P par ml / contrainte admissible au sol.

La profondeur minimale de la fondation est dictée par le fait que le sol d'assise (et non le béton de la fondation) doit être à l'abri du gel. Toujours supérieur ou égale à 50 cm, elle peut atteindre 80 à 100 cm  suivant la région climatique. Sur les couches d'assises en pente, le fond des rigoles doit être horizontal. On procède alors par gradins successifs ou redans. Lors d'éventuels travaux ultérieurs, il est important de ne jamais déchausser une rigole, c'est à dire de ne pas ôter la terre qui l'épaule latéralement sur une longueur importante .Peu performantes à priori, mais économiques car d'exécution très simple, les longrines ou rigoles en gros béton (non armé) sont adopté chaque fois que le couple charge apportées par bâtiment contrainte admissible de la couche d'assise superficielle est tel que la largeur calculée L est peu différente de l'épaisseur e du mur."L= e+10à20cm" donc que la semelle ne travaille pas en flexion transversale, mais uniquement en compression.

Semelles en béton armé: Les semelles continues sous murs (parfois sous file de poteaux) ou isolées sous poteaux sont, à l'inverse des longrines, largement débordantes de l'emprise au sol du porteur vertical qu'elles reçoivent. Elles sont donc soumises à une flexion transversale sous mur, dans les deux sens sous poteau, ce qui implique obligatoirement le recours au béton armé. En effet la semelle doit:

*résister à la flexion, éventuellement dans les deux sens  

* supporter l'effort tranchant dû à la charge ponctuelle s'exerçant sur la face supérieure.

* assurer, dans une certaine mesure, le chaînage horizontal.

Le calcul des semelles est précisé dans le DTU N°13

Les différents types de semelles en béton.

Semelles continues sous murs.

Lorsque la charge et la contrainte admissible du sol sont telles que la largeur calculée de semelle n'excède pas 1.00 m, la section de la semelle est rectangulaire (hauteur constante). Les aciers longitudinaux éventuels sont distribués sur un premier lit d'aciers transversaux constituant l'armature principale. Si la largeur nécessaire est supérieure à 1.00 m, il est économique de se rapprocher d'un profil d'égale résistance en flexion, donc de hauteur décroissante vers les extrémités. On utilise donc les profils à glacis ou pans coupés et patin.

Semelles isolées sous poteaux.

La dalle carrée ou rectangulaire d'épaisseur constante suffit parfois. Cependant, lorsque la charge descendue par le poteau est importante, on adopte le profil à glacis afin de disposer d'une hauteur suffisante pour résister à l'effort tranchant sans armatures spécifiques de cisaillement, avec un volume de béton armé économique. Les glacis impliquent, en revanche, un façonnage: coffrage ou dressage à la règle. Les armatures de flexion, un lit dans chaque sens, sont alors routes disposées en partie basse dans le patin. Dans le cas de deux poteaux très voisins, il est possible d'établir une semelle commune trapézoïdale destinée à parfaire la rigidité d'ensemble.

Sa surface est alors S >P1+P2 /contrainte admissible. Son centre de gravité doit se situer à l'aplomb de la résultante des charges P1 et P2 afin que la réaction du sol soit uniforme sous la semelle.

Semelles excentrées

Il arrive fréquemment en agglomération que l'on soit obligé de construire contre un bâtiment existant. il est certes possible de concevoir dans ce cas des planchers en console, ce qui permet d'écarter les poteaux de rive de la limite de propriété et de les fonder ainsi normalement sur semelles centrées. Cependant, lorsque cette solution n'est pas retenue et que le poteau se trouve directement contre le mur existant, la charge descendue par celui-ci étant la distance m du mur, la règle classique de résistance des matériaux dite du tiers central:

- la répartition des contraintes du sol sous la semelle excentrée, dans la direction perpendiculaire au mur, est d'allure triangulaire.

La largeur utile l dans cette même direction est limitée à la valeur 3m

La valeur maximale de la contrainte de compression, contre le mur, est alors, si P est la charge et L  la largeur de la fondation dans l'autre direction (parallèle au mur)

La contrainte d'admission = 2P/3mL qui doit être inférieur à la contrainte admissible du sol.m donc l étant limités, la semelle sera largement débordante dans la direction parallèle au mur: L>2P/3mx contrainte admissible du sol.

Radiers:

Un radier est une dalle intéressant la totalité de l'emprise au sol de la construction, d'ou l'expression fréquente RADIER GENERAL.

On distingue trois cas d'emplois types de ce genre de fondation superficielle.  

Différents type de radiers:

Les radiers plats. Simples et économiques, donc les plus fréquents. Souvent constituées de treillis à soudés.

Les radiers nervurés.

Les radiers caissons

 

 

Les fondations profondes

http://www.memoireonline.com/02/10/3146/Expose-sur-les-fondations-profondes-et-semis-profondes.html

 

 

Les fondations profondes sont celles qui permettent de reporter les charges dues à l'ouvrage qu'elles supportent sur des couches situées depuis la surface jusqu'à une profondeur variant de quelques mètres, à plusieurs dizaines de mètres, lorsque le terrain superficiel n'est pas susceptible de résister aux efforts qui sont en jeu, constitué par exemple par de la vase, du sable boulant, de la tourbe ou d'une façon générale d'un terrain très compressible.

Dans ces conditions, il faut rechercher le terrain résistant à une certaine profondeur. Deux cas peuvent alors se présenter :

a) Les sondages indiquent qu'à une profondeur accessible, on trouve une couche de terrain ayant une bonne résistance, dans ce cas on réalise des pieux qui seront enfoncés à travers les mauvais terrains jusqu'au bon sol ;

b) Les sondages montrent que les couches compressibles existent sur une grande hauteur et que le bon sol est pratiquement inaccessible, on devra admettre que seule la résistance au frottement empêche l'enfoncement des pieux et ces dernier devront avoir une longueur tel que cette résistance soit suffisante. On obtient alors une fondation sur pieux flottants, on doit limiter leur emploi aux cas ou les fondations directes entraînent des tassements inadmissibles ou pour lesquels des fondations sur couches profondes résistantes sont pratiquement impossible à réaliser sans entraîner des dépenses anormales.

Généralement, une fondation est considéré comme profonde si D / B > 10. (Avec D la longueur de la fondation « pieu », et B sa la largeur). Cette catégorie de fondation regroupe essentiellement (pieu, caissons, parfois les parois moulés).

Entre les deux extrêmes (fondations superficielles et profondes), on trouve les fondations semi profondes, (avec un rapport 4 < D / B < 10). La base de ces fondations se situe au dessus de la profondeur critique, il s'agit essentiellement des puits.

Il n'y a pas des méthodes de calcul propres à cette catégorie de fondations qui ne constituent que des cas particulier, il faudra adapter suivant le cas les méthodes retenues pour les fondations profondes ou pour les fondations superficielles.

I. Fondations profondes

I .1. Définitions

I.1.1 Pieu : un pieu est une fondation élancée, qui reporte les charges de la structure, sur des couches de terrain de caractéristiques mécaniques suffisantes pour éviter la rupture du sol.

Les parties principales d'un pieu sont : la tête, la pointe, et le fût compris entre la tête et la pointe (Fig.I.2).

Les pieux peuvent être classés selon le matériau constitutif (en bois, métal, béton armé), ou selon leur mode d'installation dans le sol, les principaux types sont reportés sur l'organigramme (Fig. I.1).

I.1.2 Hauteur d'encastrement (D) : elle est dite aussi « fiche de pieu », elle représente sa longueur enterrée (Fig.I.2).

I.1.3 Ancrage (h) : c'est la hauteur de pénétration du pieu dans la couche d'ancrage. Si le pieu est fiché dans milieu homogène (monocouche), l'ancrage est égal à la hauteur d'encastrement (Fig.I.2).

Fig.I.1 Organigramme donnant les différents types de pieux.

I.1.4 Ancrage critique (Dc) : c'est la profondeur au-delà de la quelle la résistance en pointe du pieu devient constante avec la profondeur. La valeur de Dc varie avec le type de sol, elle augmente avec le diamètre du pieu et la résistance du sol. Pour simplifier et dans les cas courants on pourra adopter les valeurs de Dc

- pour une seule couche de sol Dc = 6B avec un minimum de 3m,

- pour un sol multicouche pour lequel la contrainte effective óv' due au poids des terrains au-dessus de la couche d'ancrage est au moins égale à 100kPa (environ 7 à 10m de terrain) Dc = 3B avec un minimum de 1.5m ;

I.1.5 Couche d'ancrage : c'est la couche dont la quelle est arrêté la base de la fondation ou de pieu.

I.1.6 Puits : c'est une fondation creusée à la main, les moyens de forage employés exigent la présence d'homme au fond du forage. Les parois du forage sont soutenues par blindage.

Fig. I.2 Schéma représentant les différentes parties d'un pieu.

I.2. Capacité portante d'un pieu isolé soumis à un chargement axial 

I.2.1 Aperçu théorique 

le chargement verticale d'un pieu se traduit par la mobilisation d'une pression verticale en pointe, et des contraintes de cisaillement le long du fût du pieu appelé aussi le frottement latérale.

Considérons un pieu dont la base est située à la profondeur D, dans un sol homogène, ce pieu dont on néglige le poids est chargé axialement en tête par une charge Q. si l'on accroît progressivement Q à partir de 0, le pieu s'enfonce en tête de St, et la courbe représentant Q en fonction de St a l'allure indiqué dans la figure I.3, avec une charge limite correspondant à la rupture du sol.

Au moment de la rupture, la charge Ql est équilibrée par les réactions limites du sol suivantes :

Ø Résistance unitaire du sol sous la pointe qp, conduisant à la charge limite de pointe Qp ;

Ø Résistance qs due au frottement du sol sur la surface latérale du pieu conduisant à la charge limite par frottement Qf.

Ql = Q+ Qf.

Et l'on a donc :

Fig.I.3 Essai de chargement de pieu. Courbe effort déplacement en tête.

I.2.2 Les méthodes pratiques de détermination de la charge limite d'un pieu isolé :

Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour la détermination de la charge limite d'un pieu, les plus adaptées sont :

ü Essai de cisaillement en laboratoire, mais elle conduit souvent à des résultats médiocres.

ü Essai au pénétromètre statique, ils sont très bien adaptés, mais l'utilisation du pénétromètre statique est limitée aux pieux fichés dans les sols suffisamment meuble.

ü Essai au préssiomètre Ménard, ils présentent le grand avantage d'être utilisés dans tous les terrains.

D'autres méthodes peuvent être utilisées tel que l'essai de chargement de pieu, et l'essai au phicomètre.

Dans ce qui suit, on va s'intéresser aux trois premières méthodes.

I.2.3 Capacité portante d'un pieu à partir des essais en laboratoire :

v Cas d'un milieu homogène (monocouche) :

Un pieu est fiché dans un milieu homogène, lorsqu'il traverse une seul couche de même caractéristiques mécaniques, on l'appel aussi un monocouche, dans ce cas l'ancrage (h) est égale à la hauteur d'encastrement (D).

D'après philipponat (2002), la charge nominale d'un pieu est donnée par la formule suivante :

Qn = Qp / F1 + Qf / F2

Avec :

Qn : charge nominale du pieu ;

Qp : résistance de pointe ;

Qf : frottement latéral ;

F1 : coefficient de sécurité sur le terme de pointe (F1 = 3) ;

F2 : coefficient de sécurité sur le terme de frottement (F2 = 2).

· Le terme de la pointe :

Qp = A. q u

Avec :

A : aire de la section droite de la pointe du pieu (A= ð R2).

q u : résistance de pointe à la rupture elle est donnée par :

q u = C. Nc max+ ã . D. Nq max

Avec :

D : longueur du pieu = ancrage.

Nc max, Nq max : coefficients numériques en fonction de l'angle de frottement interne (annexe).

· Le terme de frottement latéral :

Qf = P (C. D + 1 / 2 ã. D2. tg ö)

Avec :

P : périmètre du pieu (P = 2 ð R.) ;

ã : poids volumique de la couche traversée par le pieu ;

ö : angle de frottement interne.

v Cas d'un milieu hétérogène (multicouche) :

Un pieu est fiché dans un multicouche, lorsqu'il traverse au moins deux couches de caractéristiques mécaniques différentes. La capacité portante est calculée comme suit :

· Calcul du terme de pointe :

QP= A. q u

q u = [ Nq . ? (ãi. hi) +1.3 x Nc. C]

Avec :

ãi. : Poids volumique de la couche « i » ;

h: épaisseur de la couche « i », pour la couche d'ancrage hi = ancrage (h) ;

C : cohésion.

· Calcul du terme de frottement latéral :

Qf = ?Qfi

Qfi : frottement latéral au niveau de la couche « i », on a :

Qfi = (P. hi). [0.5x ãi. hi. tg ö + C]

Remarque :

Dans le cas de présence d'une nappe (sol saturé), on remplace ã par ã' (ã'est le poids volumique déjaugé ã'= ãsat - ãW).

I.2.4 Capacité portante d'un pieu à partir de l'essai au pénétromètre statique :

v Cas d'un milieu homogène :

· Calcul de terme de pointe :

Qp= A (á p. q c moy)

Avec :

á : coefficient relie la résistance de pointe limite à la résistance de pénétromètre statique ;

qC moy :résistance moyenne de la pointe, selon Begermann: qc moy= ½ (q c 1+ q c 2 )

Avec :

qc1: moyenne de la résistance en pointe sur 3 Ø au dessus de la base du pieu ;

qc2 : moyenne de résistance en pointe sur 1 Ø au dessous de la base du pieu.

(Ø est le diamètre du pieu).

· Calcul de terme de frottement latéral :

Qf = P. D. Fu

F: frottement latéral au niveau de la couche d'ancrage, on admet que :

Fu= q c moy  f / ás)

Avec :

qc moy : résistance moyenne de la pointe ;

á f : coefficient fonction du fût du pieu (annexe ) ;

á: coefficient fonction du type du sol (annexe );

P : périmètre du pieu ;

D : longueur du pieu.

Donc :

Qn= A/3 (áp x qc moy) + ½ (P. á f. qc moy. D/ ás)

v Cas d'un milieu hétérogène :

· Calcul du terme de pointe :

Qp = A (áp. qc moy)

· Calcul de frottement latéral :

Qf = P x ? hi. x Fui

Avec :

hi : épaisseur de la couche « i » ;

Fui : frottement latéral au niveau de la couche « i ».

On a : Fui= (áf / ás) qc moy

Qn=1/3 (A. áp. qc moy) +1/2 [P. (áf / ás) x ? (qc moy. hi)]

Donc :

I.2.5 capacité portante d'un pieu à partir de l'essai du pressiomètre Ménard :

La propriété la plus remarquable de la méthode pressiométrique du LCPC, est qu'elle est applicable à tous les sols et à tous les types de pieux.

La méthode pressiométrique tient compte de l'hétérogénéité du sol en se basant sur le concept du sol homogène équivalent, caractérisé par une pression limite équivalente,et entourant un pieu ayant une fiche équivalente cette dernière sert à classer les fondations comme suit :

· Fondation profonde pour De / B > 5 ;

· Fondations semi- profondes pour 1.5 < De / B< 5 ;

· Fondations superficielles pour De / B< 1.5.

· Calcul de la résistance en pointe :

Qp= A. Kp. Ple

Avec :

Kp : facteur de portance en fonction de la nature du sol et du type de pieu ;

Ple : pression limite nette équivalente, elle est calculé comme suit :

D+3a

Ple= (1/ 3a +b) ? Pl (Z).dZ

D- b

Avec :

a = B/2 si B > 1m, ou a =0.5 si B < 1m ;

b : min (a, h), pour un sol homogène h = b = 0 ;

h :ancrage dans la couche ou se situe la pointe du pieu.

· Calcul du frottement latéral :

h

Qf = P? qs (Z) dZ.

0

q:frottement latérale unitaire limite, il est donné en fonction de la pression limite nette,il dépend en fait de la nature du sol entourant le pieu (Tab I.4) et du mode d'installation du pieu (FigI.4).

Tab.1 Détermination des abaques

Fig.I.4 Valeurs du frottement latéral unitaire

I.3 Hauteur d'encastrement équivalent De

La hauteur d'encastrement équivalent De est un paramètre conventionnel de calcul, destinée à tenir compte que les caractéristiques mécaniques des sols de couverture sont généralement plus faibles que celles du sol porteur, elle est définie à partir des essais de sol en pla

mieux s'informer pour mieux cons

Commentaires (5)

1. Vince59 05/07/2011

Bonjour, cela fait plusieurs jours que je cherche à me renseigner sur la fondation type radier caisson.
Pourriez vous me donner plus d'information s'il vous plaît ?
Merci d'avance.

2. newisnew 19/09/2011

quels essais geotechniques sont apréconiser pour un sol alluvionnaire en vue d'estimer sa capacité portante ou sa charge admissible, sachant que l'essai pressiométrique est techniquement inutile pour ce type de formations?

3. zelmou med 30/11/2011

je veux savoir on détermine les épaisseurs des couches de l(assise de la voie ferrée et quelles sont calculs généralement utilisés pour procéder à l'étude pour la voie ferrée et merci

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