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Dimensionnement de fondations profondes
Lorsque le sol de surface n’est pas suffisamment bon pour supporter directement les charges d’une construction, on a recours à des fondations profondes.
Celles-ci, comme les pieux ou les micropieux, transfèrent le poids de l’ouvrage vers des couches de sol plus résistantes en profondeur.
Le dimensionnement de fondations profondes consiste à déterminer combien de pieux (ou autres éléments profonds) sont nécessaires, à quelle profondeur et de quel diamètre, ainsi que leur capacité portante, pour assurer la stabilité et la durabilité de la construction.
Que ce soit pour un immeuble de grande hauteur reposant sur un sol mou, pour un pont dont les piles doivent s’ancrer dans le lit d’un fleuve, ou pour renforcer les fondations d’une maison existante, le dimensionnement de fondations profondes est une étape cruciale.
Une erreur de calcul peut mener à des tassements excessifs voire à un affaissement de l’ouvrage, tandis qu’un surdimensionnement injustifié engendre des coûts supplémentaires considérables.
En France, ces calculs doivent respecter l’Eurocode 7 et s’appuyer sur les données d’études de sol.
Dans ce qui suit, nous décrirons les principaux types de fondations profondes, la méthode de calcul de leur portance et de leur tassement, et l’importance d’une expertise géotechnique locale (particulièrement en Occitanie) pour bien calibrer ce dimensionnement de fondations profondes.
Principaux types de fondations profondes
Plusieurs techniques de fondations profondes existent, chacune avec ses caractéristiques et domaines d’emploi :
- Pieux forés : Ce sont des colonnes de béton réalisées en forant le sol puis en coulant du béton dans le trou (souvent avec une armature métallique).
Ils peuvent avoir de grands diamètres (0,6 m à plus de 2 m).
On utilise différentes méthodes : pieux forés simples, pieux forés sous boue (fluide bentonitique) pour maintenir les parois du forage, pieux forés avec tubage, etc.
Ces pieux sont courants pour les fondations d’immeubles, de ponts, de structures industrielles… notamment lorsque le sol superficiel est meuble sur plusieurs mètres.
- Pieux battus : Ici, le pieu (en béton préfabriqué, en acier ou en bois) est enfoncé dans le sol par battage (à l’aide d’un mouton ou d’un vibrofonceur).
L’avantage est qu’aucun matériau n’est retiré du sol : le pieu compacte le terrain autour de lui, ce qui augmente la capacité portante.
En revanche, le battage génère du bruit et des vibrations, ce qui limite son usage en zone urbaine dense.
Les pieux battus sont souvent utilisés pour des ouvrages maritimes (quais, jetées) ou des fondations sur de grandes surfaces sans voisinage proche.
- Micropieux : D’un diamètre beaucoup plus petit (quelques dizaines de centimètres au plus), les micropieux sont forés et mis en place avec des tubes et injection de coulis sous pression.
Ils ont une capacité unitaire moindre qu’un gros pieu, mais on les utilise en grand nombre pour répartir la charge.
Leur atout principal est qu’ils peuvent s’installer dans des endroits exigus, avec du matériel léger, et qu’ils peuvent renforcer des fondations existantes (par exemple, sous une maison qui s’affaisse, on vient forer des micropieux autour et sous les fondations pour les stabiliser).
Ils conviennent bien aux sols difficiles d’accès ou lorsque les vibrations doivent être minimisées.
- Barrettes et caissons : Les barrettes sont en quelque sorte des pieux rectangulaires de grande dimension, creusés à la benne preneuse puis bétonnés.
Elles sont utilisées pour des charges très lourdes (gratte-ciel, ponts de grande portée) quand un pieu circulaire ne suffirait pas ou ne pourrait être logé en groupe.
Les caissons (ou puits) sont des excavations cylindriques de grand diamètre (plusieurs mètres) réalisées en creusant puis en bétonnant ; autrefois creusés à l’air comprimé pour passer sous la nappe phréatique, ils sont aujourd’hui moins courants mais existent encore pour certains ponts ou tours
Ces différentes fondations profondes peuvent être combinées (par exemple, un groupement de pieux forés de différents diamètres) ou couplées à des améliorations de sol (colonnes ballastées, injections de résine) selon la situation.
Le choix du type de fondation fait partie intégrante du dimensionnement de fondations profondes : il dépend de la nature du sol, de la charge à supporter, de la place disponible et des contraintes d’exécution (bruit, vibrations, accessibilité).
Une fois la solution technique choisie, on peut passer au calcul de sa capacité portante et de son comportement sous charge.
Calcul de la portance et des tassements
Le dimensionnement de fondations profondes vise principalement à s’assurer que chaque élément (pieu, micropieu, etc.) peut supporter la charge appliquée sans rupture du sol et sans entraîner de tassement excessif. Les points clés du calcul sont :
1. Capacité portante du pieu
On évalue la charge maximale que le pieu peut transmettre au sol.
Cette portance se compose généralement de deux contributions : la résistance en pointe (à l’extrémité du pieu, s’appuyant sur une couche ferme) et la résistance latérale (due au frottement du fût du pieu contre le sol sur toute sa longueur).
Des formules empiriques et des résultats d’essais in-situ (comme le pénétromètre statique CPT) permettent d’estimer ces résistances.
Par exemple, un pieu de 30 cm de diamètre ancré dans un sol argileux dur à 10 m de profondeur pourrait offrir quelques centaines de kN de portance.
Le dimensionnement applique des coefficients de sécurité pour s’assurer qu’à la charge de projet, le sol ne sera pas en rupture.
2. Calcul des tassements
Au-delà de la rupture pure, il faut que la fondation ne s’enfonce pas trop sous la charge (sinon la construction se fissurerait).
On estime le tassement d’un pieu en fonction de la compressibilité du sol sous la pointe et le long du fût. Des méthodes analytiques (intégration des déformations, modules de réaction) ou des simulations numériques peuvent être utilisées.
Souvent, on compare les tassements estimés à des limites (quelques millimètres à quelques centimètres selon le type d’ouvrage).
Si les tassements calculés dépassent les seuils admissibles, l’ingénieur peut décider d’augmenter le nombre de pieux ou leur profondeur pour mieux répartir la charge.
3. Effet de groupe et interaction
Lorsqu’on a plusieurs pieux proches (un groupe sous un même massif), leur comportement n’est pas indépendant.
Le sol sollicité par un pieu l’est aussi par son voisin : la portance unitaire de chaque pieu peut diminuer (facteur de groupe < 1) et les tassements s’additionner.
Le dimensionnement de fondations profondes doit tenir compte de cela en réduisant la charge admissible par pieu dans un groupe et en vérifiant le tassement du groupe global (par exemple via un module équivalent du bloc de sol).
Parfois, on espacera un peu plus les pieux ou on en augmentera certains diamètres pour compenser l’effet de groupe.
4. Vérification structurelle et essais
Une fois le dimensionnement géotechnique établi, il faut s’assurer que le pieu lui-même résiste (le béton et l’acier doivent supporter les efforts internes : compression, traction éventuelle en cas de soulèvement, flambement si très élancé, etc.).
On définit donc une armature en acier suffisante et un béton de classe adaptée.
En chantier, il est courant de procéder à des essais de chargement de pieux : on applique une charge progressivement sur un pieu test pour mesurer son tassement réel.
Ces essais de fondations profondes servent à valider le dimensionnement et à ajuster si besoin (par exemple, si un essai montre une capacité moindre que prévue, on pourra rajouter des pieux supplémentaires au projet par sécurité).
Au final, le dimensionnement de fondations profondes est un processus itératif : on choisit un diamètre et une longueur de pieu, on calcule sa portance et son tassement, on ajuste jusqu’à respecter les critères.
Cette démarche doit aussi intégrer les normes (facteurs partiels) et l’expérience locale.
En Occitanie, par exemple, les sols karstiques (avec cavités) ou les terrains littoraux très compressibles demandent une attention particulière lors du dimensionnement des pieux.
Seul un œil expert peut interpréter correctement les données de sol et éviter à la fois le surdimensionnement et le risque de sinistre.
L’importance d’une expertise géotechnique
Le dimensionnement de fondations profondes optimal requiert une connaissance approfondie du comportement des sols et des structures.
Si les calculs théoriques sont indispensables, ils doivent s’accompagner d’un jugement d’expert.
En effet, chaque site présente ses spécificités : un profil de sol hétérogène, une nappe phréatique haute, des vides karstiques imprévus, etc.
Ces incertitudes rendent d’autant plus nécessaire un dimensionnement de fondations profondes encadré par des experts.
Faire appel à un bureau d’études spécialisé comme Geo2mo assure que le dimensionnement de fondations profondes tire pleinement parti des investigations de terrain et respecte les normes.
Chez Geo2mo, nos ingénieurs forts d’expériences à travers toute la France et notamment en Occitanie, savent interpréter les résultats géotechniques locaux
(par exemple, la présence fréquente d’argiles gonflantes dans le sous-sol toulousain ou de galets roulés dans le lit de l’Hérault) et adapter en conséquence le calcul des pieux.
Ils pourront préconiser, le cas échéant, des essais complémentaires ou des techniques alternatives (amélioration de sol préalable, changement de type de fondation) si cela s’avère plus sûr ou plus économique.
Tout est mis en œuvre pour garantir un dimensionnement de fondations profondes optimal, adapté à chaque cas.
En conclusion, le dimensionnement de fondations profondes est une étape clé pour la réussite d’un projet de construction sur sol difficile.
Il en va de la sécurité de l’ouvrage et de sa pérennité.
Grâce à une approche méthodique et à l’expertise de professionnels aguerris, il est possible de fonder solidement même sur des terrains a priori défavorables.
Que ce soit pour soutenir les immeubles d’une métropole ou stabiliser une maison sur sol instable en Occitanie, la combinaison d’une bonne étude de sol et d’un dimensionnement de fondations profondes rigoureux assure la tranquillité d’esprit du maître d’ouvrage et la longévité de la construction.
La réussite de l’ouvrage commence donc par un dimensionnement de fondations profondes fiable.
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