Fondations mixtes radier-pieux

Cette communication présente une étude par éléments finis du comportement des fondations mixtes radier-pieux sur sols compressibles et s’intéresse particulièrement à la prise en compte du fluage dans la modélisation. L’étude du tassement primaire et secondaire des sols est faite sur un cas réel, et les résultats des calculs numériques sont comparés avec des mesures sur ouvrage.

Le terme de fondation mixte s’applique d’une façon générale à l’association rigide d’une fondation superficielle avec des fondations profondes. L’ensemble ainsi constitué a pour principal rôle la mobilisation simultanée des efforts de ces deux modes de fondation. De nombreux exemples des fondations radier-pieux montrent que celles-ci sont utilisées, la plupart du temps, pour éviter des tassements excessifs, et des méthodes de calculs, souvent empiriques, existent depuis des dizaines d’années (Borel, 2001 ; Poulos, 2001).

Par ailleurs, la méthode des éléments finis a déjà été appliquée pour calculer ce type de fondations, souvent en considérant un comportement élastoplastique du sol, et permettant d’analyser la contribution du radier et des pieux au comportement global d’une fondation mixte (Poulos et al. 2011).

Cependant, quand il s’agit de fondations mixtes sur sols compressibles avec des tassements importants dans le temps (consolidation primaire et consolidation secondaire), plusieurs facteurs rendent la modélisation par éléments finis extrêmement complexe : l’effet du temps dans la loi de comportement des sols, la géométrie tridimensionnelle, la complexité des chargements, le comportement des interfaces pieux-sols et radier-sol, etc.

Cette communication présente l’analyse du comportement des fondations mixtes sur sols compressibles, par la méthode des éléments finis, et s’intéresse particulièrement à la prise en compte du fluage dans la modélisation. L’étude du tassement primaire et secondaire des sols est faite sur un cas réel pour une longue période de temps (depuis les années 1970 et prévisions jusqu’en 2030). Une fois le modèle numérique validé sur les mesures acquises jusqu’à présent, l’analyse tridimensionnelle par éléments finis, au moyen du logiciel CESAR-LCPC, permet d’estimer le tassement sur la période de vie de l’ouvrage.

L’étude numérique présentée dans cet article, met en évidence le rôle du radier sur le comportement des fondations mixtes et montre l’importance des résultats de mesure sur site pour le calage des modèles numériques complexes et la validation des résultats obtenus.

La Figure 1 illustre, de façon schématique, la répartition des efforts pour une fondation superficielle, une fondation sur pieux et une fondation mixte (radier au contact du sol) sous des sollicitations verticales (V) et latérales (H), avec les notations suivantes : 

• (Qr) réaction du sol sous le radier ;
• (Qs, Qp) réactions latérales et en pointe sur les pieux ;
• les indices (V) et (H) font références respectivement aux composantes verticale et horizontale de la charge appliquée sur la fondation.

Ce principe de fondation n’a d’intérêt que dans les cas où le sol présent sous la semelle permet une mobilisation significative des efforts (Borel, 2001).

Les fondations mixtes peuvent être abordées selon deux logiques qui influencent de manière significative le mode de dimensionnement. Dans un premier temps, elles sont considérées comme des fondations superficielles auxquelles les pieux sont ajoutés pour limiter les tassements absolus ou différentiels. Dans un second temps, elles sont considérées comme des fondations profondes où la prise en compte de la part de charge supportée sous la semelle permet de réduire la longueur et/ou le nombre de pieux.

On peut noter que c’est à partir des années 1960-1970 que les ingénieurs se sont intéressés au dimensionnement des fondations mixtes. Combarieu (1971) démarre les premières études en France sur le dimensionnements des fondations mixtes, et les travaux de recherche menés par les Laboratoires des Ponts et Chaussées font état d’un grand nombre d’études expérimentales et théoriques (Combarieu, 1988 ; Combarieu et Evrard, 1977 ; Combarieu et Evrard, 1979 ; Borel, 2001).

Dans la même période (années 1960-1970), des bâtiments construits en Angleterre sur des sols compressibles ont nécessité des dispositions particulières pour la reprise des charges par les fondations : les radiers ont été conçus et dimensionnés afin de réduire les tassements. Les travaux des ingénieurs du BRE (Building Research Establishment) et du CIRIA (Construction Industry Research and Information Association) ont mis en œuvre un programme d’instrumentation d’ouvrages dès la fin des années 1960, avec pour objectif de rassembler un certain nombre de cas bien documentés et instrumentés pour pouvoir établir ensuite une méthode de calcul.

Burland (1986) propose un principe de dimensionnement des fondations mixtes, basé sur l’approche suivante :

• représentation de la courbe de chargement du radier isolé et détermination des tassements admissibles par la structure ;
• ensuite, le nombre et le type de pieux sont choisis de façon à reprendre la charge en excès, par exemple, celle qui dépasserait une charge de service (état limite de service).

Un autre aspect du comportement des fondations mixtes sur sols compressibles est la forte mobilisation du frottement latéral, qui conduit Burland (1986) à proposer de négliger la résistance en pointe tout en calculant le frottement latéral limite des pieux sans aucun facteur de sécurité.

Dans les années 1990-2000, la méthode des éléments finis (calculs élastoplastiques) est de plus en plus appliquée au calcul des fondations mixtes (Katzenbach et al. (1994 ; 1997 ; 1998) ; Lee et al. (2010) ; Nguyen et al. (2013).

Si de nombreuses publications traitent du dimensionnement des fondations mixtes dans des configurations complexes tridimensionnelles, sous charges combinées verticales et horizontales, très peu de modèles numériques s’intéressent aux problèmes de consolidation des sols (couplage hydro-mécanique), et encore moins à la prise en compte du fluage, notamment à cause de la difficulté de disposer des mesures pour valider les modèles numériques.

Mot clés: Livre BTP, Livre Génie civil, Document BTP, Livre architecture, document génie civil,