Les Fondations (Construction)

1. Introduction : Rôle et Importance des Fondations

1.1 Définition et Fonctions

Les fondations désignent l'ensemble des éléments de transition (généralement en béton armé, parfois en maçonnerie ou métal) situés à la base d'une construction, dont le but est de reprendre les charges issues de la superstructure (poids propre, charges d'exploitation, charges climatiques, etc.) et de les transmettre au sol d'assise dans des conditions de sécurité et de déformation acceptables.

Leurs fonctions principales sont :

• Répartir les charges : Étaler les charges concentrées venant des poteaux ou des murs sur une surface de sol suffisamment grande pour que la pression exercée reste inférieure à la capacité portante du sol.
• Assurer la stabilité : Ancrer la structure dans le sol pour résister aux efforts horizontaux (vent, séisme), aux moments de renversement et aux éventuels soulèvements.
• Limiter les tassements : Maîtriser les déformations verticales (tassements absolus) et surtout les déformations différentielles (différences de tassement entre points) pour éviter les désordres dans la superstructure (fissures, distorsions).
• Protéger contre les agents extérieurs : Isoler la base de la structure de l'humidité, du gel, des variations de volume du sol (argiles gonflantes).

1.2 Interaction Sol-Structure

La conception des fondations repose sur la compréhension de l'interaction complexe entre le sol et la structure. Le sol n'est pas un support infiniment rigide ; il se déforme sous l'effet des charges transmises par les fondations. Ces déformations (tassements) induisent à leur tour une redistribution des efforts dans la structure.

Superstructure

Partie de l'ouvrage située au-dessus du niveau des fondations (murs, poteaux, poutres, dalles, toiture...).

Infrastructure (ou Fondations)

Partie de l'ouvrage assurant la liaison avec le sol.

Sol d'assise

Couche de terrain sur laquelle repose directement la fondation et qui supporte les charges.

Tassement

Enfoncement vertical du sol sous l'effet des charges appliquées.

Tassement différentiel

Différence de tassement entre deux points d'appui d'une même structure.

L'objectif est de trouver un équilibre où les contraintes dans le sol et les tassements restent dans des limites admissibles, définies par les normes et les exigences fonctionnelles de l'ouvrage. Une mauvaise appréciation de cette interaction est une source fréquente de pathologies.

2. Reconnaissance des Sols et Géotechnique

2.1 Importance de l'Étude de Sol

Le sol est un matériau naturel, hétérogène et dont les propriétés varient considérablement d'un site à l'autre, voire sur un même site. Il est donc impératif de réaliser une reconnaissance géotechnique (communément appelée "étude de sol") avant de concevoir les fondations d'un ouvrage, même modeste.

Cette étude, réalisée par un ingénieur géotechnicien, vise à :

• Identifier la nature et la succession des couches de sol en place.
• Déterminer les caractéristiques physiques et mécaniques des différentes couches (granulométrie, densité, limites d'Atterberg, résistance au cisaillement, compressibilité...).
• Localiser le niveau de la nappe phréatique et évaluer son impact potentiel.
• Définir les contraintes admissibles et les modules de déformation du sol pour le calcul des fondations.
• Préconiser le type de fondation le plus adapté et les précautions constructives éventuelles.

Négliger l'étude de sol expose à des risques majeurs de sinistres (tassements excessifs, instabilité, surcoûts importants). Les normes (comme la NF P 94-500 en France) encadrent les missions géotechniques.

2.2 Principales Caractéristiques des Sols

Les sols sont classés en fonction de la taille de leurs grains :

• Sols Grenus (ou Pulvérulents) : Graviers, sables. Constitués de grains visibles à l'œil nu. Leurs propriétés dépendent de leur compacité (densité) et de la forme des grains. Ils sont généralement peu compressibles et ont une bonne capacité portante, surtout s'ils sont denses. Ils sont perméables.
• Sols Fins (ou Cohérents) : Limons (silts), argiles. Particules très fines, invisibles à l'œil nu. Leurs propriétés dépendent fortement de leur teneur en eau et de leur histoire géologique. Ils peuvent être très compressibles (tassements importants et lents) et leur résistance au cisaillement varie avec la teneur en eau. Les argiles peuvent être sensibles au phénomène de retrait-gonflement. Ils sont peu perméables.
• Sols Organiques : Tourbes, vases. Contiennent une proportion importante de matière organique. Très compressibles, faible résistance, impropres à recevoir des fondations directes.
• Roches : Matériau parental des sols, offrant généralement une excellente capacité portante, mais pouvant présenter des discontinuités (fractures, altération).

Les paramètres clés étudiés sont la résistance au cisaillement (cohésion \(c\), angle de frottement interne \(\phi\)) qui gouverne la capacité portante, et la compressibilité (module œdométrique \(E_{oed}\), indice de compression \(C_c\)) qui gouverne les tassements.

2.3 Méthodes de Reconnaissance

Plusieurs techniques sont utilisées, souvent combinées :

• Sondages :
  • Sondages à la tarière : Forage hélicoïdal permettant de remonter des échantillons remaniés et d'identifier les couches.
  • Sondages carottés : Forage avec un tube carottier pour prélever des échantillons intacts (carottes) destinés aux essais en laboratoire.
  • Sondages destructifs : Forage avec enregistrement des paramètres (vitesse d'avancement, couple...).
• Essais in situ :
  • Pénétromètre statique (CPT) : Enfoncement d'une pointe conique mesurant la résistance de pointe (\(q_c\)) et le frottement latéral (\(f_s\)). Très utilisé pour les sols fins et meubles.
  • Pénétromètre dynamique (SPT, DPSH...) : Battage d'une pointe ou d'un carottier normalisé, en comptant le nombre de coups nécessaires pour un enfoncement donné. Donne un indice de résistance (NSPT). Adapté aux sols grenus.
  • Pressiomètre Ménard (PMT) : Expansion d'une sonde cylindrique dans un forage pour mesurer la relation pression-déformation du sol (module pressiométrique \(E_M\), pression limite \(p_{LM}\)). Donne des paramètres de résistance et de déformabilité.
  • Scissomètre de chantier : Mesure de la résistance au cisaillement non drainée (\(c_u\)) des argiles molles.
• Essais de laboratoire : Réalisés sur échantillons intacts ou remaniés : identification (granulométrie, limites d'Atterberg), essais mécaniques (cisaillement à la boîte, essai triaxial, essai œdométrique).
• Géophysique : Méthodes sismiques ou électriques pour une reconnaissance plus large mais moins précise.

3. Types de Fondations

Le choix du type de fondation dépend principalement de la nature du sol, de l'intensité des charges à transmettre et des contraintes du site. On distingue trois grandes catégories :

3.1 Fondations Superficielles

Elles reposent sur une couche de sol proche de la surface (généralement à une profondeur D inférieure à 3-4 fois la largeur B de la fondation, D < 3B) ayant une capacité portante suffisante. Elles sont économiques et rapides à réaliser lorsque les conditions le permettent.

• Semelles isolées : Sous poteaux individuels. De forme carrée, rectangulaire ou circulaire.
• Semelles filantes (ou continues) : Sous murs porteurs ou sous une ligne de poteaux rapprochés.
• Radiers généraux : Dalle épaisse couvrant toute l'emprise du bâtiment. Utilisés lorsque la capacité portante du sol est faible, que les charges sont très importantes, ou pour répartir les charges sur un sol hétérogène et limiter les tassements différentiels. Peut aussi servir de sous-sol étanche.

Principaux types de fondations superficielles.

3.2 Fondations Semi-Profondes

Utilisées lorsque la bonne couche de sol se trouve à une profondeur moyenne (typiquement entre 3 et 6 mètres), rendant les fondations superficielles trop profondes ou les fondations profondes trop coûteuses.

• Puits en béton : Excavations cylindriques ou rectangulaires de grand diamètre (souvent > 1m), creusées manuellement ou mécaniquement jusqu'au bon sol, puis remplies de béton (parfois armé). Peuvent être groupés et reliés par des longrines.

3.3 Fondations Profondes

Nécessaires lorsque le bon sol est situé à grande profondeur (> 6-8 m) ou que les charges sont très importantes. Elles reportent les charges sur des couches profondes plus résistantes ou mobilisent le frottement latéral le long de leur fût.

• Pieux : Éléments élancés verticaux ou inclinés, mis en place par battage, vissage, forage, vibration...
  • Pieux battus : Profilés métalliques ou éléments préfabriqués en béton enfoncés par chocs répétés (marteau, mouton).
  • Pieux forés : Réalisation d'un forage, mise en place d'une cage d'armatures, puis bétonnage. Différentes techniques existent (foré simple, foré tubé, foré à la boue...).
  • Micropieux : Pieux forés de petit diamètre (< 250 mm), souvent utilisés en reprise en sous-œuvre ou sur site exigu.
  • Pieux vissés : Pieux métalliques avec hélice(s) à la base, vissés dans le sol.
  Les pieux travaillent soit en pointe (report des charges sur la couche d'assise résistante), soit en frottement latéral (mobilisation de la résistance du sol le long du fût), soit les deux. Ils sont généralement groupés et surmontés d'un chevêtre (ou semelle de liaison) en béton armé qui répartit les charges des poteaux sur les pieux.
• Barrettes : Éléments porteurs de forme rectangulaire ou en T, réalisés par excavation (souvent à la benne hydraulique sous protection de boue bentonitique) puis bétonnage, similaires aux parois moulées mais fonctionnant comme des pieux de grande section.

Exemples de fondations profondes.

3.4 Critères de Choix

Le choix entre ces types de fondations dépend de nombreux facteurs :

• Nature et profondeur du bon sol : Critère prépondérant.
• Intensité des charges : Des charges élevées nécessitent des fondations plus robustes ou profondes.
• Présence d'eau (nappe phréatique) : Peut compliquer les terrassements et nécessiter des techniques spécifiques (rabattement, parois...).
• Contraintes du site : Accessibilité, mitoyenneté, présence de réseaux enterrés, sensibilité aux vibrations.
• Type de structure : Sensibilité aux tassements différentiels (ex: maçonnerie vs. structure métallique).
• Aspects économiques : Coût des matériaux et de la mise en œuvre.
• Délais de construction.

4. Principes de Dimensionnement

Le dimensionnement des fondations consiste à déterminer leurs dimensions (largeur, longueur, épaisseur, profondeur, nombre et taille des pieux...) pour qu'elles puissent transmettre les charges au sol en toute sécurité, en respectant les critères de résistance et de déformation. Il se base sur les Eurocodes (notamment l'Eurocode 7 pour le calcul géotechnique et l'Eurocode 2 pour le béton armé).

4.1 Charges Appliquées (Actions)

Il faut d'abord déterminer les charges que la superstructure transmet aux fondations. Ces charges (ou actions selon les Eurocodes) sont classées en :

• Actions permanentes (G) : Poids propre de la structure, des équipements fixes.
• Actions variables (Q) : Charges d'exploitation (personnes, mobilier, stockage), charges climatiques (neige, vent), charges thermiques.
• Actions accidentelles (A) : Séisme, chocs, incendie.

Ces actions sont combinées selon des règles définies par les normes (Eurocode 0) pour obtenir les sollicitations de calcul à l'état limite ultime (ELU) et à l'état limite de service (ELS).

4.2 États Limites (ELU et ELS)

Le dimensionnement s'effectue en vérifiant que la fondation ne dépasse pas certains états limites :

• État Limite Ultime (ELU) : Correspond à la ruine ou à la perte de stabilité de la fondation ou du sol. On vérifie notamment :
  • La résistance à la rupture par poinçonnement du sol (dépassement de la capacité portante).
  • La résistance au glissement de la fondation sur le sol.
  • La stabilité au renversement.
  • La résistance structurale de la fondation elle-même (béton, acier).
  Les calculs sont faits avec des valeurs de calcul des actions (charges majorées) et des résistances des matériaux et du sol (résistances minorées par des facteurs partiels de sécurité).
• État Limite de Service (ELS) : Correspond à des conditions qui rendent l'ouvrage impropre à sa fonction, sans pour autant entraîner sa ruine. On vérifie principalement :
  • Les tassements absolus : L'enfoncement total doit rester limité pour éviter des problèmes de raccordement aux réseaux, d'accès...
  • Les tassements différentiels : Les différences de tassement entre points d'appui doivent être suffisamment faibles pour ne pas causer de désordres (fissures, basculement) dans la superstructure. C'est souvent le critère le plus dimensionnant pour les fondations superficielles.
  • Les vibrations (pour certaines structures).
  Les calculs sont faits avec des combinaisons d'actions dites "de service" (non majorées ou peu majorées) et des caractéristiques moyennes des matériaux.

4.3 Capacité Portante du Sol

C'est la pression maximale que le sol peut supporter sous la fondation sans risque de rupture par poinçonnement (refoulement du sol). Elle est vérifiée à l'ELU.

Pour les fondations superficielles, la capacité portante (\(q_{ult}\) ou \(q_{net}\)) dépend de :

• La résistance au cisaillement du sol (cohésion \(c\) et angle de frottement \(\phi\)).
• La géométrie de la fondation (largeur B, longueur L, profondeur d'encastrement D).
• La présence de la nappe phréatique.
• L'inclinaison et l'excentricité de la charge appliquée.

Des formules théoriques (ex: formule de Terzaghi, Meyerhof, Hansen, ou celles de l'Eurocode 7) ou des méthodes basées sur les essais in situ (pressiomètre, pénétromètre) permettent de l'estimer. On compare ensuite la contrainte appliquée par la fondation à l'ELU (\(q_{ELU}\)) à la résistance de calcul du sol (\(R_d\)), qui est la capacité portante ultime divisée par un facteur de sécurité global ou des facteurs partiels. \(q_{ELU} \le R_d\).

Pour les pieux, on calcule la portance en pointe et la portance par frottement latéral, en utilisant des méthodes similaires basées sur les caractéristiques du sol et les essais in situ.

4.4 Calcul des Tassements

Le tassement d'une fondation sous les charges de service (ELS) est la somme de trois composantes :

• Tassement immédiat (\(s_i\)) : Déformation élastique du sol sous la charge, se produit rapidement. Prépondérant dans les sols grenus.
• Tassement de consolidation primaire (\(s_c\)) : Réduction de volume du sol due à l'expulsion de l'eau interstitielle sous l'effet de la surcharge. Phénomène lent dans les sols fins (argiles, limons) car peu perméables. Peut durer des années.
• Tassement de consolidation secondaire (fluage, \(s_s\)) : Réarrangement lent des particules de sol à contrainte effective constante, après la fin de la consolidation primaire. Significatif surtout dans les sols organiques et certaines argiles très plastiques.

Le calcul des tassements utilise des méthodes basées sur la théorie de l'élasticité (pour \(s_i\)) ou sur les essais œdométriques (pour \(s_c\)). On vérifie que le tassement total et surtout le tassement différentiel restent inférieurs aux limites admissibles pour la structure (qui dépendent de sa nature, de sa rigidité, de ses finitions...). Par exemple, un tassement différentiel de 1/500 (1 cm pour 5 m de portée) est souvent une limite pour éviter les fissures dans la maçonnerie.

4.5 Dimensionnement Structural de la Fondation

Une fois les dimensions géotechniques déterminées (largeur B, longueur L, profondeur D), il faut dimensionner la fondation elle-même en tant qu'élément en béton armé (ou autre matériau).

• Calcul de l'épaisseur : L'épaisseur de la semelle ou du radier doit être suffisante pour résister au poinçonnement par le poteau ou le mur, et pour assurer une bonne diffusion des charges vers le sol (règle du H/4 ou calcul par bielles et tirants).
• Calcul des armatures : Les armatures (aciers) sont calculées pour reprendre les efforts de traction dus à la flexion de la semelle sous la réaction du sol (pression ascendante). On calcule généralement les aciers inférieurs dans les deux directions pour les semelles isolées et les radiers, et les aciers longitudinaux et transversaux pour les semelles filantes. Des armatures supérieures peuvent être nécessaires dans certains cas (radiers, semelles excentrées). Les règles de l'Eurocode 2 s'appliquent.
• Vérifications : On vérifie également les contraintes dans le béton, l'effort tranchant, l'adhérence des aciers, et les dispositions constructives (enrobage, espacement des barres...).

5. Aspects Constructifs et Pathologies Courantes

5.1 Techniques de Réalisation

Fondations Superficielles

• Terrassement : Excavation jusqu'à la profondeur requise (mise hors gel, atteinte du bon sol).
• Fond de fouille : Nettoyage et nivellement soigné du sol d'assise. Mise en place éventuelle d'un béton de propreté (couche mince de béton maigre).
• Coffrage : Mise en place des coffrages si nécessaire (semelles épaisses, radiers).
• Ferraillage : Positionnement des cages d'armatures en respectant les plans et l'enrobage (cales).
• Bétonnage : Coulage du béton en continu, vibration correcte pour assurer un bon remplissage et éviter les vides.
• Décoffrage et Remblaiement : Après durcissement suffisant du béton.

Fondations Profondes (Exemple : Pieux Forés)

• Forage : Réalisation du trou à l'aide d'une foreuse (tarière, benne preneuse, etc.), éventuellement avec maintien des parois (tubage provisoire, boue bentonitique).
• Nettoyage du fond de forage.
• Ferraillage : Descente de la cage d'armatures pré-assemblée.
• Bétonnage : Mise en place du béton par le bas à l'aide d'un tube plongeur, en remontant progressivement le tube pour éviter la ségrégation et l'incorporation de sol ou de boue. Le bétonnage chasse la boue ou l'eau.
• Retrait du tubage (si utilisé) au fur et à mesure du bétonnage.
• Recépage : Démolition de la tête du pieu (béton de mauvaise qualité) pour obtenir une surface saine au niveau de la cote d'arase prévue.
• Réalisation du chevêtre reliant les têtes de pieux.

5.2 Contrôles et Suivi

Des contrôles sont nécessaires à différentes étapes :

• Avant travaux : Vérification de la conformité de l'étude de sol.
• Pendant les terrassements : Contrôle visuel du fond de fouille (correspondance avec l'étude de sol), essais éventuels (plaque, pénétromètre).
• Pendant le ferraillage : Vérification des plans, des diamètres, des espacements, de l'enrobage.
• Pendant le bétonnage : Contrôle de la qualité du béton (slump test, prélèvements pour essais de résistance), respect des procédures.
• Après travaux (pour fondations profondes) : Essais d'intégrité des pieux (impédance, sismique parallèle...) pour détecter des anomalies (étranglement, mauvaise qualité du béton), essais de chargement statique ou dynamique pour vérifier la capacité portante réelle.
• Pendant la vie de l'ouvrage : Surveillance des tassements si nécessaire (nivellement de précision).

5.3 Pathologies Fréquentes et Remèdes

Les désordres liés aux fondations sont souvent graves et coûteux à réparer.

• Tassements différentiels excessifs : Cause la plus fréquente de sinistres. Se manifeste par des fissures inclinées ou en escalier dans les murs, des distorsions des ouvertures, des planchers inclinés.
  • Causes : Étude de sol insuffisante ou erronée, hétérogénéité non détectée, modification de l'environnement (fuite, sécheresse/inondation affectant les argiles, travaux voisins).
  • Remèdes : Reprise en sous-œuvre (micropieux, longrines, injection de résine expansive dans le sol), renforcement de la structure.
• Capacité portante insuffisante : Peut conduire à un enfoncement brutal ou progressif.
  • Causes : Mauvais dimensionnement, erreur sur la nature du sol, modification des charges.
  • Remèdes : Renforcement des fondations, allègement de la structure.
• Glissement ou renversement : Pour les murs de soutènement ou les fondations soumises à des efforts horizontaux importants.
  • Causes : Sous-estimation des poussées, mauvais drainage.
  • Remèdes : Ancrages, contreforts, amélioration du drainage.
• Dégradation des matériaux de fondation :
  • Corrosion des armatures (manque d'enrobage, béton poreux).
  • Attaque chimique du béton (sulfates, acides).
  • Remèdes : Réparation du béton, protection (revêtements, protection cathodique).
• Problèmes liés à l'eau : Remontées capillaires, venues d'eau dans les sous-sols, affouillements (érosion du sol sous la fondation par l'eau).
  • Remèdes : Drainage, étanchéité, protection contre l'affouillement.

6. Conclusion

Les fondations sont littéralement la base de toute construction. Leur conception ne peut être dissociée d'une connaissance approfondie du sol d'assise, obtenue grâce à une reconnaissance géotechnique adaptée. Le choix du type de fondation (superficielle, semi-profonde ou profonde) et son dimensionnement doivent garantir la sécurité vis-à-vis des états limites ultimes (poinçonnement, glissement, résistance structurale) et le respect des critères de service, notamment la limitation des tassements différentiels.

Une exécution soignée et des contrôles rigoureux sont également essentiels pour assurer la qualité et la performance des fondations réalisées. Les pathologies liées aux fondations, souvent dues à une mauvaise appréciation du sol ou à des erreurs de conception/exécution, peuvent avoir des conséquences très lourdes sur l'ouvrage. L'ingénierie des fondations est donc un domaine clé du génie civil, nécessitant une collaboration étroite entre géotechniciens et ingénieurs structures.