Conception de Fondations sur Sols Gonflants

Comprendre la Conception de Fondations sur Sols Gonflants

Vous êtes un ingénieur géotechnicien chargé de concevoir les fondations d’une nouvelle bibliothèque municipale dans une région connue pour ses sols gonflants. Les sols gonflants sont susceptibles de subir des variations significatives de volume en fonction des changements d’humidité. Une conception inadéquate des fondations sur de tels sols peut entraîner des dommages structurels importants. Votre tâche est de déterminer le type de fondation le plus approprié et de calculer les paramètres clés pour assurer la stabilité de la structure.

Pour comprendre la Sélection et Calcul de Fondations, cliquez sur le lien.

Données fournies:

1. Caractéristiques du site :
   • Surface du bâtiment : 2000 m²
   • Poids total du bâtiment (charges permanentes et temporaires incluses) : 5000 kN
   • Profil de sol : Les premiers 5 mètres sont composés d’argile expansive avec un indice de gonflement de 60 %.
2. Propriétés du sol :
   • Limite de liquidité (LL) : 45 %
   • Limite de plasticité (LP) : 25 %
   • Poids spécifique des particules solides \(\gamma_s = 27 \, \text{kN/m}^3\)
   • Humidité naturelle : 20 %
   • Contrainte admissible du sol, \( \sigma_{\text{adm}} = 150 \, \text{kN/m}^2 \)
3. Conditions hydrologiques :
   • Niveau de la nappe phréatique : à 6 mètres sous la surface.
   • Variations saisonnières estimées de l’humidité du sol : de 15 % à 25 %.

Questions à résoudre

1. Type de fondation à choisir :

• Discutez des options possibles pour les types de fondations adaptées à un sol gonflant et choisissez la plus appropriée en justifiant votre choix.

2. Calculs préliminaires :

• Calculez le gonflement potentiel du sol sous la charge du bâtiment.
• Estimez les contraintes imposées par le bâtiment au sol en considérant une distribution uniforme de la charge.

3. Conception de la fondation :

• Déterminez la profondeur et la largeur minimale de la fondation pour minimiser les risques liés au gonflement du sol.
• Proposez une méthode pour gérer les variations d’humidité et stabiliser le sol sous la fondation.

4. Mesures de précaution :

• Quelles précautions spécifiques devraient être prises lors de la construction pour éviter les problèmes futurs liés à l’expansion du sol?

Correction : Conception de Fondations sur Sols Gonflants

1. Choix du Type de Fondation

Calcul de la solution technique :
Il faut choisir un type de fondation qui répartit la charge de façon uniforme et qui limite les effets de gonflement de l’argile expansive. Deux grandes familles existent :

• Fondations superficielles (semelles isolées, semelles filantes ou radier)
• Fondations profondes (pieux, micropieux)

Explication :
Les sols gonflants présentent d’importantes variations de volume dues aux changements d’humidité. Dans ce contexte, le radier (fondation en dalle) est particulièrement indiqué car :

• Il permet de répartir la charge sur une large surface, réduisant ainsi les contraintes locales.
• Il contribue à minimiser les déformations différentielles en agissant comme une « plateforme » continue.
• Il offre la possibilité d’intégrer des systèmes de drainage ou de stabilisation pour limiter les variations d’humidité.

Conclusion et Choix :
La solution retenue est un radier sur sol traité/stabilisé (par exemple par injection de coulis ou stabilisation chimique) associé à un système de drainage afin de contrôler l’humidité.
(Voir partie 4 pour les mesures de précaution.)

2. Calculs Préliminaires

2.1. Estimation de la Contrainte Imposée par le Bâtiment

Données :

• Poids total du bâtiment, \( P = 5000 \, \text{kN} \)
• Surface du bâtiment, \( A_{\text{bât}} = 2000 \, \text{m}^2 \)

Formule :

\[ \sigma_{\text{bât}} = \frac{P}{A_{\text{bât}}} \]

Calcul :

\[ \sigma_{\text{bât}} = \frac{5000 \, \text{kN}}{2000 \, \text{m}^2} = 2.5 \, \text{kN/m}^2 \]

La contrainte moyenne induite par la charge du bâtiment sur le sol est de 2.5 kN/m², ce qui est bien inférieur à la contrainte admissible hypothétique du sol de 150 kN/m². Cela indique qu’en termes de charge globale, le sol n’est pas surchargé, mais la problématique majeure reste liée aux variations de volume de l’argile expansive.

2.2. Estimation du Gonflement Potentiel du Sol

Données :

• Épaisseur de la couche d’argile expansive, \( h = 5 \, \text{m} \)
• Indice de gonflement de l’argile, \( I_g = 60\% \) (ceci signifie qu’en conditions maximales, le volume peut augmenter de 60 %)
• On considère une surface unitaire (1 m²) pour l’estimation du gonflement vertical.

Formule :

Le volume initial de l’argile sur 1 m² est :

\[ V_0 = h \times 1 \, \text{m}^2 = 5 \, \text{m}^3 \]

Le gonflement maximal théorique est donné par :

\[ \Delta V_{\text{max}} = I_g \times V_0 \] \[ \Delta V_{\text{max}} = 0.60 \times 5 \, \text{m}^3 \] \[ \Delta V_{\text{max}} = 3 \, \text{m}^3 \]

Pour une surface constante, une augmentation volumique de 3 m³ correspond à une augmentation de hauteur :

\[ \Delta h_{\text{max}} = \frac{\Delta V_{\text{max}}}{1 \, \text{m}^2} = 3 \, \text{m} \]

Calcul Ajusté en Présence de Charge :

Sous la charge du bâtiment, la pression appliquée tend à limiter le gonflement effectif. En pratique, on peut introduire un coefficient de réduction (par exemple, une réduction de 80 % de l’effet théorique) pour tenir compte de cette contrainte.

\[ \Delta h_{\text{effectif}} = \Delta h_{\text{max}} \times (1 – 0.80) \] \[ \Delta h_{\text{effectif}} = 3 \, \text{m} \times 0.20 \] \[ \Delta h_{\text{effectif}} = 0.6 \, \text{m} \]

Le calcul théorique montre un potentiel de gonflement pouvant atteindre 3 m, mais sous la charge du bâtiment, les contraintes limitent cet effet à environ 0.6 m d’augmentation de hauteur, ce qui reste néanmoins un paramètre important à maîtriser.

3. Conception de la Fondation

3.1. Dimensionnement en Profondeur et en Largeur

a) Profondeur de la Fondation :

Données :

• Couche d’argile expansive épaisse de 5 m
• Nappe phréatique à 6 m de profondeur

Pour minimiser l’influence du gonflement, la base du radier doit idéalement être placée en dessous de la zone active de gonflement.
Choix technique :

• Profondeur minimale recommandée : Environ 5 m (la totalité de la couche d’argile expansive) voire légèrement en dessous (par exemple 5,5 m) si les conditions géotechniques le permettent, tout en restant au-dessus de la nappe (6 m) pour éviter des complications liées à l’eau.

b) Largeur Minimale :

Données :

• Contrainte admissible du sol, \( \sigma_{\text{adm}} = 150 \, \text{kN/m}^2 \)
• Poids total du bâtiment, \( P = 5000 \, \text{kN} \)

Formule de calcul de l’aire minimale requise :

\[ A_{\text{min}} = \frac{P}{\sigma_{\text{adm}}} \]

Calcul :

\[ A_{\text{min}} = \frac{5000 \, \text{kN}}{150 \, \text{kN/m}^2} \approx 33.33 \, \text{m}^2 \]

Le calcul théorique donne une surface minimale de 33.33 m² pour que la contrainte moyenne induite ne dépasse pas 150 kN/m². Toutefois, dans la pratique et pour un bâtiment de 2000 m², le radier couvrira l’ensemble de la surface de la construction, ce qui permet une distribution très uniforme de la charge.

3.2. Méthode pour Gérer les Variations d’Humidité et Stabiliser le Sol

Mesures Techniques Proposées :

• Système de drainage :
  Installer un drainage périphérique et sous le radier pour évacuer l’excès d’eau et limiter les variations de la teneur en humidité.
• Barrières étanches :
  Intégrer une membrane géotextile ou imperméabilisante sous et autour du radier pour isoler le sol des influences extérieures.
• Stabilisation chimique :
  Traiter le sol par injection de coulis ou l’ajout d’agents stabilisants (ex. chaux) afin de réduire la capacité de gonflement de l’argile.
• Surveillance et entretien :
  Mettre en place un système de surveillance post-construction pour détecter toute variation de mouvement et intervenir rapidement si nécessaire.

4. Mesures de Précaution Spécifiques

Précautions lors de la Construction :

1. Prétraitement du Sol :

• Réaliser des essais de laboratoire pour caractériser précisément la relation entre l’humidité et le gonflement.
• Appliquer des techniques de stabilisation (injection de coulis, ajout de chaux) pour réduire la sensibilité du sol à l’humidité.

2. Conception du Radier :

• Dimensionner le radier en tenant compte d’une épaisseur d’au moins 5 m (pour couvrir la zone d’argile expansive) ou prévoir un radier renforcé pouvant supporter des déformations.
• Prévoir des armatures suffisantes pour absorber les déformations sans endommager la structure.

3. Gestion de l’Humidité :

• Installer des systèmes de drainage et des membranes étanches pour limiter les variations saisonnières de l’humidité.
• Concevoir des espaces de dilatation ou des joints de mouvement si nécessaire pour permettre une certaine flexibilité.

4. Surveillance Post-Construction :

• Mettre en place un suivi régulier (inclinomètres, piézomètres) pour détecter toute variation excessive du sol et prendre des mesures correctives rapidement.

Conception de Fondations sur Sols Gonflants

D’autres exercices de géotechnique:

• Gestion du Risque d’Érosion pour un Projet
• Calcul le tassement d’un Sol Après un An
• Pressions de Terre au Repos et en Mouvement