Choix du Type de Fondation en Géotechnique
Comprendre le Choix du Type de Fondation
Le choix du type de fondation pour un ouvrage est une décision cruciale en ingénierie géotechnique. Il dépend d'une multitude de facteurs, notamment la nature et l'ampleur des charges transmises par la superstructure, les caractéristiques et la stratification des couches de sol en place, la présence et la position de la nappe phréatique, les contraintes du site (environnement, accès, ouvrages avoisinants), et les considérations économiques. L'objectif est de concevoir une fondation qui assure la stabilité de l'ouvrage, limite les tassements à des valeurs admissibles, et est réalisable techniquement et économiquement. On distingue principalement les fondations superficielles (semelles, radiers) et les fondations profondes (pieux, barrettes).
Données de l'étude
- Charge verticale totale transmise par un poteau intérieur typique : \(Q = 1200 \, \text{kN}\)
- Couche 1 (0 m à -2.5 m) : Sable lâche et limoneux.
- Poids volumique (\(\gamma_1\)) : \(17.5 \, \text{kN/m}^3\)
- Capacité portante admissible (\(q_{\text{adm1}}\)) : \(80 \, \text{kPa}\)
- Module de déformation (\(E_1\)) : \(8 \, \text{MPa}\)
- Nappe phréatique à \(z_w = -1.5 \, \text{m}\) de la surface.
- Couche 2 (-2.5 m à -9.0 m) : Argile raide à très raide.
- Poids volumique (\(\gamma_2\)) : \(19.0 \, \text{kN/m}^3\)
- Cohésion non drainée (\(c_{u2}\)) : \(70 \, \text{kPa}\)
- Capacité portante admissible (\(q_{\text{adm2}}\)) : \(200 \, \text{kPa}\) (pour semelle)
- Module de déformation (\(E_2\)) : \(20 \, \text{MPa}\)
- Couche 3 (en dessous de -9.0 m) : Sable dense et graveleux.
- Capacité portante en pointe pour pieux (\(q_p\)) : \(> 5000 \, \text{kPa}\)
- Considéré comme un bon substratum pour fondations profondes.
Schéma : Profil de Sol et Bâtiment Envisagé
Profil de sol et options de fondation pour un bâtiment.
Questions à traiter
- Analyser les caractéristiques de chaque couche de sol et leur aptitude à recevoir des fondations.
- Évaluer la faisabilité d'une fondation superficielle (semelle isolée) pour un poteau transmettant \(Q = 1200 \, \text{kN}\). Estimer approximativement la dimension requise d'une semelle carrée dans la couche 1 et dans la couche 2, et discuter des problèmes potentiels (tassement, nappe).
- Discuter de la pertinence des fondations profondes pour ce projet.
- Proposer un type de fondation (superficielle ou profonde) et justifier ce choix en considérant les charges, les conditions de sol, la profondeur hors-gel et d'autres facteurs pertinents.
- Quelles investigations géotechniques complémentaires seraient utiles pour affiner la conception de la fondation choisie ?
Correction : Choix du Type de Fondation
Question 1 : Analyse des Caractéristiques des Couches de Sol
Principe :
L'analyse des couches de sol implique d'évaluer leurs propriétés mécaniques (capacité portante, compressibilité) et la position de la nappe phréatique pour déterminer leur aptitude à supporter des charges de fondation.
- Couche 1 (Sable lâche et limoneux, 0 à -2.5 m) : Faible capacité portante (\(q_{\text{adm1}} = 80 \, \text{kPa}\)) et faible module de déformation (\(E_1 = 8 \, \text{MPa}\)), indiquant une forte compressibilité. La nappe phréatique à -1.5 m est dans cette couche, ce qui peut réduire davantage la capacité portante effective et compliquer les travaux d'excavation. Cette couche est peu apte pour des fondations superficielles supportant des charges importantes.
- Couche 2 (Argile raide, -2.5 m à -9.0 m) : Capacité portante admissible nettement meilleure (\(q_{\text{adm2}} = 200 \, \text{kPa}\)) et module de déformation plus élevé (\(E_2 = 20 \, \text{MPa}\)), indiquant une compressibilité modérée. Cette couche est potentiellement un bon niveau d'assise pour des fondations superficielles si la couche supérieure est traversée.
- Couche 3 (Sable dense et graveleux, > -9.0 m) : Très bonne capacité portante en pointe (\(q_p > 5000 \, \text{kPa}\)), ce qui en fait un excellent substratum pour des fondations profondes si nécessaire.
Question 2 : Évaluation d'une Fondation Superficielle (Semelle Isolée)
Principe :
Pour une fondation superficielle, la pression appliquée au sol (\(q_{\text{appliquée}} = Q/A_{\text{semelle}}\)) ne doit pas dépasser la capacité portante admissible du sol (\(q_{\text{adm}}\)). On estime la dimension \(B\) d'une semelle carrée (\(A_{\text{semelle}} = B^2\)) nécessaire.
Calculs et Discussion :
Charge par poteau \(Q = 1200 \, \text{kN}\).
Option 1 : Fonder dans la Couche 1 (Sable lâche)
Profondeur d'ancrage minimale \(D_f = 0.80 \, \text{m}\) (hors-gel). À cette profondeur, on est dans le sable lâche.
Une semelle de \(3.87\text{m} \times 3.87\text{m}\) est très grande et probablement irréaliste pour un poteau intérieur. De plus, le faible module (\(E_1 = 8 \, \text{MPa}\)) suggère des tassements importants. La présence de la nappe à -1.5m compliquerait la construction et pourrait affecter la capacité portante (nécessité de calculs en contraintes effectives plus détaillés).
Option 2 : Fonder dans la Couche 2 (Argile raide)
Pour atteindre cette couche, il faut traverser les 2.5 m de sable lâche. Donc, \(D_f \geq 2.5 \, \text{m}\). Prenons \(D_f = 2.5 \, \text{m}\) (base de la semelle au sommet de l'argile).
Une semelle de \(2.45\text{m} \times 2.45\text{m}\) est plus raisonnable. Cependant, l'excavation à \(2.5 \, \text{m}\) de profondeur dans du sable lâche avec une nappe à -1.5 m nécessiterait des mesures de soutènement et de rabattement de nappe coûteuses. Les tassements dans l'argile raide (\(E_2 = 20 \, \text{MPa}\)) seraient moindres que dans le sable lâche, mais devraient être vérifiés.
Question 3 : Pertinence des Fondations Profondes
Principe :
Les fondations profondes (pieux, barrettes) sont envisagées lorsque les couches de sol superficielles ne peuvent pas supporter les charges de l'ouvrage, ou lorsque les tassements avec des fondations superficielles seraient excessifs. Elles permettent de transférer les charges vers des couches plus profondes et plus résistantes.
Analyse :
Au vu des difficultés et des dimensions importantes des semelles superficielles (surtout dans la couche 1), et des défis constructifs pour atteindre la couche 2, les fondations profondes deviennent une option pertinente. La couche 3 (sable dense et graveleux) située à partir de -9.0 m offre un excellent substratum avec une capacité portante en pointe élevée. Des pieux pourraient traverser les couches 1 et 2 pour s'ancrer dans cette couche 3.
Question 4 : Proposition et Justification du Type de Fondation
Principe :
Le choix final doit intégrer les aspects techniques (capacité portante, tassements, constructibilité) et économiques. On compare les avantages et inconvénients des options viables.
Proposition et Justification :
Compte tenu des charges (\(1200 \, \text{kN}\) par poteau), de la faible portance de la couche superficielle de sable lâche, de la présence de la nappe phréatique rendant les excavations profondes pour semelles coûteuses et complexes, et de l'existence d'un substratum résistant (sable dense) à une profondeur accessible par pieux (à partir de -9.0 m) :
Le type de fondation le plus approprié semble être des fondations profondes, par exemple des pieux forés ou battus, ancrés dans la couche de sable dense (Couche 3).
Justification :
- Capacité portante : La couche 3 offre une capacité portante élevée, capable de reprendre les charges importantes des poteaux.
- Tassements : Les tassements seraient significativement réduits par rapport à des fondations superficielles dans les couches 1 ou 2.
- Influence de la nappe : Les techniques de mise en œuvre des pieux (forés tubés, par exemple) permettent de gérer la présence de la nappe phréatique plus facilement que pour des excavations de grande surface.
- Profondeur hors-gel : Automatiquement respectée avec des fondations profondes.
- Coût : Bien que les fondations profondes soient initialement plus coûteuses que des semelles superficielles simples, les coûts associés aux excavations profondes, soutènements et rabattement de nappe pour des semelles sur la couche 2 pourraient rendre les pieux compétitifs, voire plus économiques globalement, tout en offrant une meilleure performance.
Question 5 : Investigations Géotechniques Complémentaires
Principe :
Pour affiner la conception des fondations profondes, des investigations complémentaires sont nécessaires pour mieux caractériser les couches de sol, en particulier la couche d'ancrage.
Investigations suggérées :
Quiz Intermédiaire 1 : Si la charge du bâtiment était très faible et le sol de surface était un sable compact et sec bien au-dessus de la nappe, quel type de fondation serait généralement le plus économique et approprié ?
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
6. Les fondations profondes sont généralement choisies lorsque :
7. La présence d'une nappe phréatique proche de la surface :
8. Lequel de ces éléments n'est PAS un type de fondation profonde ?
Glossaire
- Fondation Superficielle
- Type de fondation qui transmet les charges de la structure au sol à une faible profondeur, généralement lorsque la largeur de la fondation est supérieure ou égale à sa profondeur d'ancrage (ex: semelles, radiers).
- Fondation Profonde
- Type de fondation qui transmet les charges à des couches de sol plus profondes et plus résistantes, lorsque les couches superficielles sont inadéquates (ex: pieux, barrettes).
- Semelle Isolée
- Fondation superficielle supportant la charge d'un seul poteau.
- Semelle Filante
- Fondation superficielle continue supportant un mur ou une ligne de poteaux.
- Radier Général
- Grande dalle de fondation qui s'étend sous toute la surface de l'ouvrage, utilisée lorsque les charges sont importantes ou le sol peu résistant.
- Pieu
- Élément de fondation élancé enfoncé ou foré dans le sol pour atteindre une couche portante profonde.
- Capacité Portante Admissible (\(q_{\text{adm}}\))
- Pression maximale que le sol peut supporter en toute sécurité sous une fondation, en tenant compte d'un facteur de sécurité.
- Tassement
- Affaissement vertical du sol sous l'effet des charges appliquées par une structure.
- Nappe Phréatique
- Niveau dans le sol où l'eau sature les vides et où sa pression est égale à la pression atmosphérique.
- Profondeur Hors-Gel
- Profondeur minimale à laquelle les fondations doivent être placées pour éviter les dommages dus au cycle gel-dégel du sol.
D’autres exercices de Fondation :
merci pour l’information