CONCEPTION DES FONDATIONS SUPERFICIELLES REPOSANT SUR DES SOLS GRANULAIRES EN UTILISANT LA VITESSE DES ONDES DE CISAILLEMENT

RÉSUMÉ

Un bon dimensionnement d’une fondation superficielle nécessite une bonne caractérisation du sol sur lequel elle reposera. Pour le cas des sols granulaires, les essais de reconnaissances destructifs (SPT, CPT, etc.) impliquent la conversion des profils obtenus du sol exploré en un profil de rigidité afin de pouvoir estimer sa
portance. Une telle tâche peut induire des erreurs au niveau de l’estimation étant donné qu’elle nécessite le passage d’un nombre de paramètres (N, qc) n’illustrant pas l’état réel du sol (rigidité) à des paramètres caractérisant sa performance (module élastique, coefficient de Poisson). La caractérisation des sols granulaires en utilisant la vitesse des ondes de cisaillement (non destructive) nous permet de contourner ce problème étant donné qu’elle nous donne directement la variation d’un paramètre intrinsèque au sol (Vs) à partir duquel il est possible d’effectuer le dimensionnement. La disponibilité d’une technique de mesure de vitesses de cisaillement (P-RAT) sur des échantillons de sols au laboratoire géotechnique de l’UdeS, nous a permis de mettre en œuvre l’application de Vs dans l’estimation de la portance des sols granulaires.

Au cours de ce mémoire, une procédure servant à estimer le tassement des fondations superficielles reposant sur des dépôts granulaires est présenté. Les paramètres de cisaillement (Vs, G) d’un sable déterminés à l’aide des essais de caractérisation (P-RAT) ont été utilisés pour construire un modèle numérique de fondation. La consistance des résultats numériques du modèle a été confirmée à travers des essais de chargement de plaque.

Ce travail montre donc l’importance des paramètres de cisaillement dans la modélisation d’une application fréquente en géotechnique. Il constitue un départ considérable pour la construction de relations constitutives basées sur le paramètre vitesse de cisaillement.

Mots clés : Fondation superficielle, Caractérisation, Sols granulaires, Portance,
Paramètres de cisaillement, Vs, Modèle numérique.

CHAPITRE 1 — INTRODUCTION

1.1 Mise en contexte et problématique

Le tassement du sol sous chargement statique est encore considéré comme thème d’actualité auquel la communauté internationale de géotechnique accorde beaucoup d’intérêt. En effet, cela est dû aux variétés d’applications de génie civil dans lesquelles ce thème peut être impliqué. On peut citer dans ce contexte les infrastructures routières, la construction des lignes ferroviaires ainsi que la construction des fondations d’immeubles à habitation ou même industriels.

Pour cela, les ingénieurs géotechniciens ont beaucoup investi dans le développement de méthodes servant à estimer le tassement des fondations superficielles à travers diverses approches. À partir de ces méthodes, on peut citer, d’une part, la méthode œdométrique qui sert à estimer le tassement du sol argileux. D’autre part, on peut mentionner les différentes méthodes empiriques proposées à travers les résultats d’essais in situ pour estimer le tassement des sols granulaires. Plus précisément, on s’est beaucoup intéressé à la prédiction du tassement des fondations superficielles reposant sur des sols granulaires à partir des essais SPT, CPT ou même l’essai DMT. Ces essais ont été pour les ingénieurs un support important lors du dimensionnement des fondations. Néanmoins, ces essais présentent des limites en termes d’interprétation. Ceci est dû à la difficulté de relier les paramètres in situ obtenus lors de ces essais (N, qc, etc.) à la rigidité réelle du sol. Plus précisément, la détermination de la stratigraphie de rigidité d’un massif dans ce cas nécessite une conversion du profil (SPT, CPT, etc.) obtenu sur terrain en un profil de rigidité (module de déformation du sol en fonction de la profondeur) selon des relations empiriques. Il s’agit donc d’une tache de plus augmentant la probabilité d’erreurs en termes d’interprétation.

La deuxième famille de méthodes servant à la prédiction du tassement des fondations superficielles reposant sur des sols granulaires est l’approche d’élasticité linéaire.

L’ensemble de ces méthodes présente beaucoup de limites dans le présent contexte. En effet, l’approche d’élasticité linéaire est incapable d’illustrer à une échelle exacte l’état réel du sol. Plus précisément, estimer un module d’élasticité d’un sol pour prédire son tassement sous l’effet d’une charge donnée est une tâche qui nous éloigne de l’état réel du matériau en question. Cela est dû au fait que le sol se tient par confinement dans son état naturel. Par contre, la mesure du module d’élasticité d’un matériau donné exige l’absence d’empêchement au niveau des côtés de son échantillon représentatif au cours d’un essai de compression ou de traction simple. Ces exigences nous éloignent clairement de l’état réel du sol.

Dans ce contexte, la communauté géotechnique a commencé récemment l’orientation de ses intérêts vers d’autres approches que les deux présentées ci-dessus. Ce changement d’orientation était dans l’intention d’utiliser un paramètre fiable à travers lequel on peut proposer une méthode prometteuse et capable d’estimer, à une bonne échelle d’exactitude, le tassement des sols granulaires. Ce paramètre est appelé le module de cisaillement des sols. En effet, bien que toute la communauté géotechnique le connaisse, on n’avait pas auparavant des techniques fiables et faciles à mettre en œuvre pour le mesurer. En effet, avec l’évolution du domaine informatique et de traitement des signaux, il est possible aujourd’hui d’utiliser des techniques non intrusives pour mesurer avec une grande précision la vitesse des ondes de cisaillement, et donc le module de cisaillement, jusqu’à des profondeurs pouvant aller à 50 m.

Toutefois, l’utilisation de la vitesse des ondes de cisaillement était plutôt limitée aux applications de dynamique des sols et des phénomènes de liquéfaction. Par conséquent, son usage pour illustrer un essai de compression simple à partir duquel un tassement est induit était presque inexistant. Des recherches considérables à ce niveau ont été mises en œuvre afin de développer des techniques capables de mesurer ce paramètre correctement.

Une fois mesuré, ce paramètre sera employé ou utilisé dans différentes applications géotechniques. Parmi ces applications, on peut citer le tassement des fondations superficielles.

L’objectif de ce projet de maitrise est de développer une méthode capable d’estimer le tassement d’un sol granulaire donné à partir d’une mesure de son module de cisaillement à faible déformation (Gmax = Vs 2 ). Cette méthode se basera à la fois sur une partie expérimentale ainsi qu’une partie numérique.

1.2 Définition du projet de recherche

En réaction à une charge de compression verticale, un déplacement vertical est induit dans un dépôt de sol. Ce déplacement est appelé tassement. Un tel paramètre géotechnique est d’une importance majeure dans le dimensionnement des fondations superficielles. Par conséquent, sa mesure à une bonne échelle d’exactitude est fortement recommandée. Afin de garantir une bonne estimation de ce paramètre, on est amené à bien caractériser le sol étudié à travers l’identification de ses paramètres élastiques, tel que son module de cisaillement. La possibilité de mesurer la vitesse cisaillement en laboratoire à l’aide de la technique P-RAT développée à l’UdeS nous a incités à développer l’application de Vs comme paramètre géotechnique au même titre que N (SPT) et qc (CPT) dans l’évaluation du tassement des fondations superficielles reposant sur des sols granulaires. Cette évaluation est mise en œuvre par la mesure de la vitesse des ondes de cisaillement à l’aide de la technique P-RAT durant un essai de compression oedométrique. Ceci permet de croire qu’il est possible de relier des modules à faibles déformations (Gmax = Vs 2 ) à des modules à grandes déformations (Eoed). Le taux de cohérence des résultats offerts à travers l’approche décrite ci-dessus sera évalué à travers une simulation expérimentale illustrant le chargement d’un modèle réduit de plaque reposant sur un sable dans une cellule de chargement. Une fois l’efficacité de l’approche proposée est confirmée, on pourra généraliser l’étude et élargir la gamme de son étendue à travers :

• L’application de la mesure des vitesses de cisaillement dans l’estimation de la capacité portante des fondations superficielles.
• Le développement d’abaques de dimensionnement de fondations pour les sols granulaires.
• L’étude de l’influence de l’eau sur le tassement à travers la mesure des vitesses d’ondes de cisaillement.

1.3 Objectifs

Les objectifs principaux de ce projet de maitrise sont :

• Développer, à travers des simulations numériques et des essais de mesure de Vs P-RAT, une procédure simple permettant d’estimer le tassement d’une fondation superficielle reposant sur un sol sableux donné.
• Élaborer des abaques de dimensionnement pour le sol étudié.
• Une fois ces deux objectifs sont atteints, on pourra juger, par la suite à propos du taux d’efficacité qu’offre l’approche proposée dans l’estimation du tassement des fondations superficielles reposant sur des sols granulaires, et plus généralement dans l’évaluation de la capacité portante de ce type de fondations.

1.4 Contributions originales

Ce travail de recherche apporte une contribution originale dans la discipline des fondations superficielles. En effet, l’évaluation du tassement des fondations en utilisant la vitesse des ondes de cisaillement est quasiment absente de la littérature. Cela est peut-être dû au fait, que l’emploi de la vitesse des ondes de cisaillement touche plutôt les applications de dynamique des sols telles que la liquéfaction et l’interaction sol-structure.
Une fois réalisé, ce travail permettra de savoir à quel point la mesure de la propagation des ondes de cisaillement peut être utile dans l’estimation du tassement et, par la suite, l’évaluation de la capacité portante des fondations superficielles.

1.5 Plan du document

Le présent mémoire se compose de neuf chapitres y compris l’introduction et la conclusion. Suite au premier chapitre, le deuxième chapitre est consacré à la revue bibliographique dans laquelle on exposera les différentes méthodes estimant le tassement des fondations superficielles reposant sur des sols granulaires. Le troisième chapitre du mémoire expose en détail le côté théorique du sujet. Plus précisément, on présentera dans ce chapitre les relations qui existent entre les paramètres intrinsèques d’un sol grenu et leurs applications dans l’estimation du tassement. Ces paramètres sont le module de cisaillement, le module oedométrique et le module de Duncan-Chang. Le quatrième chapitre présente les différentes étapes de l’approche adoptée pour estimer le tassement d’une fondation superficielle reposant sur un sol grenu. Le chapitre 5 détaille le programme expérimental des essais de caractérisation réalisés sur le sable de Sherbrooke M ainsi que l’évaluation de ses paramètres utiles pour les simulations numériques.

Le chapitre 6 présente les résultats des essais de chargements d’une plaque reposant sur le sable de Sherbrooke pour estimer expérimentalement le tassement. Afin d’évaluer le taux de cohérence de l’approche proposée au chapitre 4, une simulation numérique des essais de chargements réalisés au chapitre 6 est présentée dans le chapitre 7. Les résultats des simulations numériques vont être, par la suite, comparés aux résultats expérimentaux présentés dans le chapitre 6.

Finalement, et avant la conclusion, on présentera au chapitre 8 des abaques de dimensionnement établis pour le sable étudié expérimentalement donnant la capacité portante de différentes fondations superficielles reposant sur ce sable pour des valeurs données de vitesses de cisaillement normalisées. Cela est dans mettre en relief l’aspect pratique du sujet.

LISTE DES ACRONYMES

DMT: Dialometer Test
CPT : Cone Penetration Test –
G : Module de cisaillement
Ke : Module de Duncan-Chang
Lbs : Livres
SASW : Spectral Analysis of Surface Waves
SPT : Standard Penetration Test
UdeS : Université de Sherbrooke
Vs : Vitesse de cisaillement
Vs1 : Vitesse de cisaillement normalisée

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Au sommaire

LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ACRONYMES
RÉSUMÉ
REMERCIMENTS

CHAPITRE 1 — INTRODUCTION

1.1 Mise en contexte et problématique
1.2 Définition du projet de recherche
1.3 Objectifs
1.4 Contributions originales
1.5 Plan du document

CHAPITRE 2 — REVUE BIBLIOGRAPHIQUE

2.1 Introduction
2.2 Structures des sols granulaires
2.3 Paramètres contrôlant le tassement des fondations superficielles
2.4 Différentes approches estimant le tassement des fondations superficielles reposant sur des sols granulaires
2.4.1 Méthodes basées sur les essais in situ
2.4.2 Méthodes basées sur l’approche d’élasticité linéaire
2.4.3 Méthodes estimant le tassement en utilisant l’élasticité non linéaire
2.4.4 Influence de l’eau
2.4.5 Discussion
2.4.6 Méthodes estimant le tassement en utilisant la vitesse des ondes de cisaillement
2.4.7 Discussion

CHAPITRE 3 — PARAMÈTRES INTERVENANT DANS L’ESTIMATION DU TASSEMENT EN UTILISANT LA VITESSE DES ONDES DE CISAILLEMENT

3.1 Introduction
3.2 Le module Œdométrique
3.3 Le module de cisaillement
3.4 Le module de Duncan-Chang (1970)
3.5 Détermination des paramètres élastiques de Duncan Chang à partir d’un essai oedométrique
3.6 Discussion

CHAPITRE 4 — APPROCHE PROPOSÉE POUR ÉVALUER LE TASSEMENT

4.1 La technique P-RAT
4.2 Différentes étapes adoptées pour évaluer le tassement d’une fondation superficielle en utilisant la vitesse des ondes de cisaillement
4.3 Estimation de la capacité portante d’une fondation superficielle reposant sur les
sables d’Eastman et de Péribonka
4.3.1 Résultats expérimentaux
4.3.2 Modélisation numérique
4.3.2.1 Sable de Péribonka
4.3.3 Commentaires

CHAPITRE 5 — CARACTÉRISATION DU SABLE DE SHERBROOKE

5.1 Introduction
5.2 Essai granulométrique
5.3 Essai de table vibrante
5.4 Essai Proctor
5.5 Essais Triaxiaux
5.6 Essais de mesure de vitesse des ondes de cisaillement
5.7 Évaluation des paramètres numériques à partir des essais expérimentaux
5.7.1 Paramètres de Duncan
5.7.2 Détermination des paramètres de Duncan-Chang à partir des essais œdométriques
5.7.3 Validation des paramètres obtenus

CHAPITRE 6 — ESSAIS DE CHARGEMENT

6.1 Description du dispositif
6.2 Essais SPT réalisés
6.2.1 Description de la colonne mise en place
6.3 Remplissage du contenant et identification des conditions de chargement
6.4 Résultats des essais de chargements
6.4.1 Essai de chargement I
6.4.2 Essai de chargement II
6.4.3 Essai de chargement III
6.4.4 Essai de chargement VI

CHAPITRE 7 — MODÉLISATION NUMÉRIQUE DES ESSAIS DE CHARGEMENT

7.1 Introduction
7.2 Simulations numériques des essais de chargement réalisés
7.2.1 Étapes numériques adoptées pour évaluation du tassement
7.2.2 Modélisation numérique du cas expérimental étudié
7.2.3 Résultats obtenus
7.3 Commentaires

CHAPITRE 8 — DIMENSIONNEMENT DES FONDATIONS EN UTILISANT VS

8.1 Abaques de dimensionnement
8.2 Analyse des résultats

CHAPITRE 9 — CONCLUSION

RÉFÉRENCES